基于雙天線GPS接收機(jī)航向姿態(tài)測(cè)量方法

郭萬祿，潘玉純，翟崢嶸

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000;2.中國(guó)人民解放軍91851部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

在新裝備研制論證過程中，擬選用JAVAD公司的JNSGyro-4T四天線GPS測(cè)姿設(shè)備作為航向姿態(tài)(偏航、縱搖、橫搖)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)部含有4路GPS接收機(jī)，有較高的航向姿態(tài)測(cè)量精度，但購(gòu)置經(jīng)費(fèi)昂貴。這里提出采用2套雙天線GPS實(shí)現(xiàn)載體航向姿態(tài)測(cè)量，通過2套GPS雙天線測(cè)姿系統(tǒng)分別測(cè)量得到2個(gè)基線在空間中的航向角和縱搖角。由1套GPS天線2個(gè)天線測(cè)姿系統(tǒng)輸出的航向角和縱搖角，利用另一套GPS兩天線構(gòu)成的測(cè)姿系統(tǒng)輸出值計(jì)算出橫搖角。

問題提出后，在項(xiàng)目研制前對(duì)此專門進(jìn)行了預(yù)研分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用此方法可以完成載體的航向姿態(tài)測(cè)量，結(jié)果能夠滿足該型測(cè)量裝備對(duì)載體姿態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)。

1 航向姿態(tài)測(cè)量方法

通常采用幾種姿態(tài)探測(cè)器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法確定目標(biāo)或載體相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)確定航向姿態(tài)。其航向姿態(tài)確定的精度取決于數(shù)據(jù)處理方法與姿態(tài)探測(cè)器所能達(dá)到的精度。

1.1 慣性導(dǎo)航(INS)方法

慣性導(dǎo)航測(cè)量利用慣性敏感元件測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)初始條件計(jì)算出目標(biāo)的姿態(tài)、方位、速度和位置參數(shù)，從而完成航向姿態(tài)的測(cè)量任務(wù)。INS是一個(gè)自主式的空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，慣性測(cè)量裝置包括3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀，前者用來測(cè)量運(yùn)載器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度;后者用來測(cè)量運(yùn)載器的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角位移。對(duì)測(cè)出的加速度進(jìn)行2次積分，可解算出運(yùn)載器在所選擇的導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的位置。

1.2 GPS航向姿態(tài)測(cè)量方法

GPS測(cè)姿是在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體的幾個(gè)不同位置上分別安裝GPS接收天線，利用GPS載波相位測(cè)量求解出運(yùn)動(dòng)載體的三維姿態(tài)參數(shù)。GPS測(cè)姿平臺(tái)的平面只能由3點(diǎn)或2個(gè)非重疊或平行的矢量來確定，因此最少需要在運(yùn)動(dòng)載體上安裝3根GPS信號(hào)接收天線，這樣才能形成2條獨(dú)立的基線來實(shí)施GPS姿態(tài)測(cè)量。

1.2.1 兩天線測(cè)姿

使用2根GPS天線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)測(cè)定，只能估計(jì)出2個(gè)姿態(tài)角。GPS天線在載體坐標(biāo)系中的配用示意圖如圖1所示。

圖1 GPS天線在載體坐標(biāo)系中的配用

如圖1(a)所示，L12為A1，A2基線的長(zhǎng)度。天線A1到天線A2的矢量方向可以確定偏航角，天線A1的坐標(biāo)為(L12，0，0)T，將天線設(shè)置為載體坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的原點(diǎn)，而不必利用姿態(tài)參數(shù)矩陣，可以采用直接計(jì)算法來計(jì)算偏航角和俯仰角:

通過對(duì)GPS載波相位的觀測(cè)，能夠極其精確地測(cè)定天線A2相對(duì)天線A1在WGS－84地心系坐標(biāo)的三維位置，再將其變換成以天線A1為原點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的坐標(biāo)，然后就可以由式(1)和式(2)解算出偏航角和俯仰角。

1.2.2 多天線測(cè)姿

采用3根天線時(shí)，組成2條獨(dú)立的基線，其中基線12用于測(cè)定偏航角和俯仰角，基線13用于測(cè)定橫滾角，天線1、2、3在XOY平面內(nèi)，且知基線12和基線13的夾角為α，可以精確測(cè)定。用前述兩天線測(cè)姿的公式可以確定偏航角和俯仰角。通過求出天線3的水平坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，從而得到橫滾角，如圖1(b)所示。

2 可行性分析

2.1 必要性

某型測(cè)量設(shè)備，采用DMU慣性導(dǎo)航類裝置測(cè)量載體航向姿態(tài)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，需要對(duì)DMU航向姿態(tài)測(cè)量裝置進(jìn)行海上消磁作業(yè)，以消除設(shè)備所處載體鐵磁物質(zhì)環(huán)境對(duì)DMU測(cè)量結(jié)果的影響。海上消磁作業(yè)時(shí)，該設(shè)備安裝固定在載體上，拖船以最小半徑拖帶載體旋轉(zhuǎn)，有效測(cè)量數(shù)據(jù)不小于2圈，操作過程復(fù)雜，人員至少需要進(jìn)行2次靠幫作業(yè)，尤其當(dāng)海況條件惡劣時(shí)，容易出現(xiàn)斷纜現(xiàn)象，載體容易失控，存在較大安全隱患。因此，在建設(shè)此類新型測(cè)量裝備時(shí)，采用GPS測(cè)量載體航向姿態(tài)參數(shù)，避免海上消磁和跳幫等危險(xiǎn)作業(yè)十分必要。

2.2 可行性

根據(jù)GPS多天線測(cè)姿原理方法，采用四天線測(cè)姿，4根天線配置成正方形，利用基線平面布局的特殊性，解算出幾個(gè)姿態(tài)矩陣元素，進(jìn)而解算姿態(tài)角，不需要知道初始姿態(tài)，從理論上是可行的。選用2套雙天線GPS接收機(jī)，通過對(duì)2個(gè)天線接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行處理獲得以2個(gè)天線連線為基準(zhǔn)的航向和俯仰角度，同時(shí)為了得到載體航向、俯仰和橫滾三維角度，將2套GPS接收機(jī)天線交叉放置，通過標(biāo)校得到各天線的位置及輸出角度值，即可獲得GPS輸出角度與載體航向姿態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)姿態(tài)測(cè)量原理進(jìn)行綜合處理，得到滿足要求的航向、俯仰/橫滾測(cè)角精度，并且研制經(jīng)費(fèi)會(huì)大幅下降。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 基本情況

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:Vector GPS航向測(cè)姿設(shè)備2套，設(shè)備支架1個(gè)，Leica TCA1201全站儀1套，筆記本電腦1臺(tái)。GPS四個(gè)天線呈正方形布設(shè)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過程:首先將2套Vector GPS航向測(cè)姿設(shè)備固聯(lián)在設(shè)備支架上，2套GPS天線的基線長(zhǎng)均為50 cm，且它們之間相互正交。將全站儀調(diào)平，建立一個(gè)全站儀鉛垂體系，測(cè)量GPS航向測(cè)姿設(shè)備4個(gè)天線在其中的坐標(biāo);同時(shí)，利用筆記本電腦通過串口獲取GPS航向測(cè)姿設(shè)備的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果輸出。通過對(duì)不同航向姿態(tài)情況下獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析處理，驗(yàn)證GPS航向測(cè)姿設(shè)備的航向和傾角測(cè)量精度。根據(jù)GPS航向測(cè)姿固聯(lián)坐標(biāo)系的定義，由GPS天線主1和GPS天線從1構(gòu)成測(cè)姿系統(tǒng)的輸出即為GPS航向測(cè)姿系統(tǒng)輸出的航向角和縱搖角，利用GPS天線主2和GPS天線從2構(gòu)成的系統(tǒng)輸出值計(jì)算出橫搖角。

圖2 GPS四個(gè)天線布設(shè)支架結(jié)構(gòu)

3.2 原理

利用全站儀測(cè)量得到全站儀鉛垂坐標(biāo)系下GPS航向測(cè)姿系統(tǒng)4個(gè)GPS天線的坐標(biāo)，利用這些坐標(biāo)值可計(jì)算得到GPS航向測(cè)姿系統(tǒng)傾角輸出，即可得到其傾角測(cè)量精度。

將設(shè)備支架的航向姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，利用全站儀測(cè)量得到全站儀鉛垂坐標(biāo)系下調(diào)整后的4個(gè)GPS天線后的坐標(biāo)值。通過計(jì)算獲得GPS天線在航向姿態(tài)調(diào)整后航向的變化真值，與利用2次GPS航向測(cè)姿系統(tǒng)輸出計(jì)算的航向差值進(jìn)行比較，從而評(píng)定其航向角的測(cè)量精度。

假設(shè)設(shè)備在第1組情況下輸出的航向和傾角分別為α1、β1，對(duì)應(yīng)的全站儀此時(shí)測(cè)量得到的GPS坐標(biāo)分別為:GPS主1=［X主1Y主1Z主1］和 GPS從1=［X從1Y從1Z從1］;設(shè)備在第 2 組情況下輸出的航向和傾角分別為α2、β2、對(duì)應(yīng)的全站儀此時(shí)測(cè)量得到的GPS天線坐標(biāo)分別為 GPS主2=［X主2Y主2Z主2］和 GPS從1=［X從2Y從2Z從2］。由此可計(jì)算得到在2種姿態(tài)情況下的方位角變化量真值為:

而利用GPS航向測(cè)姿設(shè)備輸出的方位角計(jì)算可得到其方位角變化量為:ΔαGPS=α2－α1。則GPS航向測(cè)姿設(shè)備的方位角測(cè)量誤差為:Δα=ΔαGPSΔα全。與方位角類似，可計(jì)算得到俯仰角真值為:則GPS航向測(cè)姿設(shè)備的俯仰角測(cè)量誤差為:Δβ=β1－ β全。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，每次測(cè)量后，對(duì)設(shè)備的航向姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，共進(jìn)行了8次航向姿態(tài)測(cè)量，得到8組全站儀鉛垂坐標(biāo)系下的GPS天線坐標(biāo)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組號(hào)對(duì)應(yīng)的GPS輸出測(cè)姿結(jié)果。利用8組測(cè)姿文件可計(jì)算出每組的方位和俯仰角均值。全站儀測(cè)量得到的全站儀鉛垂坐標(biāo)系下的GPS天線坐標(biāo)第1組和第5組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 全站儀測(cè)量得到的GPS天線位置

圖3給出了8組實(shí)驗(yàn)2套設(shè)備中1套設(shè)備中的1組輸出的方位和俯仰數(shù)據(jù)二維圖，其中實(shí)線是實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，虛線是采樣時(shí)間內(nèi)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均值。

圖3 第1組實(shí)驗(yàn)設(shè)備1輸出的數(shù)據(jù)

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，計(jì)算出每組GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的均值，利用全站儀測(cè)量每次設(shè)備的航向姿態(tài)調(diào)整后得到的4個(gè)GPS天線的坐標(biāo)值。以某一序列數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算GPS和全站儀各自的角度差，將全站儀的角度差作為數(shù)據(jù)真值，就可獲得GPS方位角、俯仰角的角度誤差和均方根誤差。從而評(píng)定其系統(tǒng)方位和俯仰角的測(cè)量精度，最后得到方位和俯仰角均方根誤差分別為0.9531°和1.34°。以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果，GPS航向測(cè)姿設(shè)備的方位角和俯仰角測(cè)量數(shù)據(jù)能夠滿足某型測(cè)量設(shè)備對(duì)航向姿態(tài)測(cè)量指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有載體環(huán)境條件下，利用2套GPS雙天線測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)多GPS天線測(cè)量載體實(shí)時(shí)的航向姿態(tài)，是根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)及設(shè)備實(shí)際情況，總結(jié)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的新嘗試，在項(xiàng)目建設(shè)工程實(shí)踐中，得到了充分驗(yàn)證，取得了較好的效果，可以提高效率，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。研制成功的裝備在實(shí)際使用中，航向姿態(tài)測(cè)量信息滿足了裝備使用要求。 ■

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