基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)

周 巍，郝金明，徐兆磊，劉丙申

(1.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;2.中國(guó)人民解放軍63883部隊(duì)，河南洛陽(yáng)471003)

一、引 言

測(cè)控系統(tǒng)完成對(duì)航天器的跟蹤測(cè)量并實(shí)施控制，同時(shí)還是飛行安全控制、指揮顯示的重要信息源，必須保持其良好性能和精度［1］。但是，由于制造工藝、設(shè)備安裝、器件老化等原因會(huì)將測(cè)量誤差引入測(cè)控設(shè)備，進(jìn)而影響到測(cè)控系統(tǒng)的精度和可靠性［2］。因此，新研或改造的測(cè)控設(shè)備正式投入使用前，必須進(jìn)行精度鑒定，以評(píng)估其是否滿足研制或改造的技術(shù)指標(biāo)要求。

早期測(cè)控設(shè)備的精度鑒定主要以彈道相機(jī)或光電經(jīng)緯儀等光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)作為比較標(biāo)準(zhǔn)，但光學(xué)設(shè)備對(duì)氣象條件要求很高、數(shù)據(jù)處理周期長(zhǎng)、跟蹤能力有限。同時(shí)，光學(xué)設(shè)備跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間段落較短，數(shù)據(jù)量根本無(wú)法滿足測(cè)控設(shè)備精度跟蹤范圍內(nèi)精度鑒定要求。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研和社會(huì)生活領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于GPS技術(shù)的飛機(jī)校飛方式成為常用的測(cè)控設(shè)備精度鑒定方法，形成了一套符合工程應(yīng)用要求的精度鑒定系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。但是，飛機(jī)校飛方法存在協(xié)調(diào)難度大、周期長(zhǎng)、加裝過(guò)程繁瑣、效費(fèi)比低等不足，難以滿足日益增長(zhǎng)及多樣化的測(cè)控設(shè)備精度鑒定的需求。而無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展為建立高效快捷的精度鑒定方法提供了強(qiáng)力技術(shù)支撐［3］。無(wú)人機(jī)校飛利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載測(cè)控合作目標(biāo)和小型化GPS測(cè)量設(shè)備，通過(guò)對(duì)測(cè)控設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)和精度鑒定系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合處理分析對(duì)測(cè)控設(shè)備精度進(jìn)行鑒定，與有人機(jī)校飛相比，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與生存力。本文探討了無(wú)人機(jī)校飛精度鑒定系統(tǒng)的組成、工作模式及精度鑒定方法，通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了完整的精度鑒定流程，并分析了無(wú)人機(jī)平臺(tái)用于測(cè)控設(shè)備精度鑒定的可行性及試驗(yàn)效果。

二、系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)校飛精度鑒定系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、指揮監(jiān)控分系統(tǒng)、地面測(cè)量分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)5部分組成，如圖1所示。

圖1 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)組成

1.無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)

2.任務(wù)載荷分系統(tǒng)

任務(wù)載荷分系統(tǒng)主要包含校飛任務(wù)所需的機(jī)載高精度GPS測(cè)量設(shè)備和測(cè)控設(shè)備合作目標(biāo)，如應(yīng)答機(jī)、信標(biāo)機(jī)、點(diǎn)光源等。

3.指揮監(jiān)控分系統(tǒng)

指揮監(jiān)控分系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)監(jiān)控分系統(tǒng)和地面航顯分系統(tǒng)組成。無(wú)人機(jī)監(jiān)控分系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)自身飛控系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備及各傳感器的信息輸出，監(jiān)測(cè)并記錄無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，顯示無(wú)人機(jī)飛行航跡，并發(fā)出控制指令完成無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行和安全回收［5］;地面航顯分系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備接收機(jī)載GPS測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)輸出的高精度定位測(cè)速信息，為用戶提供航顯信息［6］。

4.地面測(cè)量分系統(tǒng)

地面測(cè)量分系統(tǒng)由實(shí)時(shí)差分基準(zhǔn)站和事后差分基準(zhǔn)站組成。實(shí)時(shí)差分基準(zhǔn)站完成GPS數(shù)據(jù)采集，通過(guò)上行鏈路為機(jī)載GPS測(cè)量設(shè)備提供差分信息;事后差分基準(zhǔn)站與機(jī)載GPS測(cè)量設(shè)備進(jìn)行同步觀測(cè)，完成基準(zhǔn)站GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，為事后數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)要素。

5.數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)能夠?qū)︿浫〉臋C(jī)載GPS接收機(jī)和事后差分基準(zhǔn)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后載波相位差分解算，提供測(cè)控設(shè)備精度鑒定所需的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

三、應(yīng)用模式

根據(jù)試驗(yàn)需求，無(wú)人機(jī)校飛精度鑒定系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載測(cè)控合作目標(biāo)和小型化精度鑒定設(shè)備，通過(guò)對(duì)測(cè)控設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)和精度鑒定系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被鑒設(shè)備的精度評(píng)定。

操作員根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的航路控制無(wú)人機(jī)飛行，機(jī)載GPS測(cè)量設(shè)備則接收地面實(shí)時(shí)差分基準(zhǔn)站差分改正信息完成實(shí)時(shí)差分，并將解算結(jié)果下傳至地面航顯指揮分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)監(jiān)控、快速比對(duì)和地面測(cè)控設(shè)備引導(dǎo);通過(guò)事后綜合數(shù)據(jù)處理，提供鑒定比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控設(shè)備精度的分析和評(píng)定。典型應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)校飛精度鑒定系統(tǒng)應(yīng)用模式

四、精度鑒定方法研究

1.GPS載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位原理

測(cè)控設(shè)備精度鑒定首先需要獲取高精度標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是利用系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載GPS測(cè)量設(shè)備并與地面基準(zhǔn)站進(jìn)行載波相位相對(duì)定位解算來(lái)獲取的?；鶞?zhǔn)站i與機(jī)載站k對(duì)GPS衛(wèi)星j、n進(jìn)行同步觀測(cè)，構(gòu)成雙差載波相位觀測(cè)值并線性化表示為［7］

表示為矩陣形式為

采用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理模型，其狀態(tài)方程為

箭豬坡礦床的成礦作用受斷裂活動(dòng)、巖漿作用及地層巖性等因素控制，礦床形成均與花崗巖晚期階段有關(guān)，為受構(gòu)造裂隙控制的巖漿期后低溫?zé)嵋撼涮钚兔}狀鉛鋅銻礦床。礦區(qū)中主要工業(yè)礦脈礦化較穩(wěn)定，礦脈的傾向延伸和SN走向延長(zhǎng)還未完全控制。隨著深度的增加，元素組合出現(xiàn)變化，在礦區(qū)的深部隱伏巖體附近存在層狀礦化體。

對(duì)應(yīng)的觀測(cè)方程為

式中，Xk=δRk。

卡爾曼濾波遞推方程式為

2.評(píng)定方法

測(cè)控設(shè)備精度評(píng)定的方法可簡(jiǎn)要地概括為：以無(wú)人機(jī)搭載的GPS系統(tǒng)定位結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)參考坐標(biāo)，然后通過(guò)與測(cè)控設(shè)備定位數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到測(cè)控設(shè)備的性能和精度，以研究其誤差變化的規(guī)律。評(píng)定方法分為以下幾個(gè)步驟［8］：

1)利用無(wú)人機(jī)搭載的GPS和地面基準(zhǔn)站獲取定位數(shù)據(jù)，利用載波相位相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理，得到無(wú)人機(jī)軌跡的最佳估計(jì)。

2)對(duì)測(cè)控設(shè)備和GPS設(shè)備進(jìn)行時(shí)間校正，并統(tǒng)一到同一時(shí)間系統(tǒng)下。

3)坐標(biāo)變換，把目標(biāo)參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為方向角α、仰角β和斜距R。

4)對(duì)測(cè)控設(shè)備數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出各個(gè)時(shí)刻的誤差 δα、δβ、δR。

5)分析系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，研究測(cè)控設(shè)備的誤差變化規(guī)律，得到精度評(píng)定結(jié)果。

五、試驗(yàn)分析

采用基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，以航向穩(wěn)定度、橫傾穩(wěn)定度、俯仰穩(wěn)定度為例對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的性能進(jìn)行分析，如圖3～圖5所示，并將均值及均方根誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。各項(xiàng)指標(biāo)表明，無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠?yàn)槿蝿?wù)載荷提供飛行條件，并完成測(cè)控設(shè)備精度鑒定中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的獲取。

圖3 航向穩(wěn)定度曲線

圖4 橫傾穩(wěn)定度曲線

圖5 俯仰穩(wěn)定度曲線

表1 俯仰穩(wěn)定度曲線 (°)

由于無(wú)人機(jī)載荷能力及任務(wù)艙設(shè)備加裝空間的限制，精度鑒定任務(wù)中機(jī)載GPS測(cè)量設(shè)備應(yīng)選用小型化GPS接收機(jī)及天線。對(duì)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖現(xiàn)象，并獲取了完整的無(wú)人機(jī)飛行軌跡，如圖6所示。經(jīng)載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位解算后，對(duì)各歷元定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)如圖7和表2所示。結(jié)果表明：系統(tǒng)基于GPS載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，能夠獲得厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位精度，高出測(cè)控設(shè)備定位精度數(shù)倍，完全可以作為標(biāo)準(zhǔn)參考值用來(lái)對(duì)測(cè)控設(shè)備是否合格進(jìn)行評(píng)定。

圖6 飛行航跡

圖7 定位結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差

表2 定位結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)m

六、結(jié)束語(yǔ)

本文探討了基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)的組成、工作模式及鑒定方法，通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了完整任務(wù)流程，并分析了試驗(yàn)效果。結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠?yàn)槿蝿?wù)載荷提供良好的飛行條件，而且其具有價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、測(cè)量周期短、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，極大地縮減了試驗(yàn)成本、擴(kuò)展了應(yīng)用區(qū)域;系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)搭載的小型化GPS接收機(jī)工作穩(wěn)定，能夠提供高精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)校飛精度鑒定系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控設(shè)備的精度鑒定提供了一種新的高效快捷的解決方案。

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