基于云RTK的無(wú)線電測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)

唐 龍

(桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司,廣西 桂林 541001)

0 引 言

無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)線電輻射源信號(hào)的偵察、識(shí)別、測(cè)向和定位,如何快速準(zhǔn)確地對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)向定位性能進(jìn)行測(cè)試和合理評(píng)估具有十分重要的意義[1]。對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)向定位技術(shù)指標(biāo)測(cè)量,通常利用全站儀或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)載波相位差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)。全站儀通過(guò)人工輔助方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備的方位、距離示準(zhǔn)測(cè)量,一般是固定選擇幾個(gè)位置點(diǎn)后進(jìn)行測(cè)試,并且進(jìn)行多次位置挪動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)一定的測(cè)量誤差累積,影響設(shè)備真實(shí)性能狀態(tài)的評(píng)估;而且全站儀要求使用環(huán)境滿足一定的能見(jiàn)度和通視條件等因素,不能全天候、全地域地進(jìn)行示準(zhǔn)測(cè)量,示準(zhǔn)工作主要由人工完成,自動(dòng)化程度低,調(diào)試量巨大。普通電臺(tái)RTK設(shè)備的傳輸距離受到電臺(tái)功率影響[2],考慮到無(wú)線電臺(tái)體積、重量和功耗要求,普通電臺(tái)傳輸距離一般為1～5 km左右,在一些山地、丘陵等復(fù)雜地形條件下會(huì)降低普通電臺(tái)的傳輸距離,不能滿足野外長(zhǎng)傳輸距離試驗(yàn)要求。另外,傳統(tǒng)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)性能測(cè)試采用人工抽驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn),存在檢測(cè)樣本數(shù)量少和工作效率低的問(wèn)題[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題,提出一種基于云RTK的多平臺(tái)通用型測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng),結(jié)合云RTK技術(shù)和小型化信號(hào)輻射源特點(diǎn),充分利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)RTK基準(zhǔn)站和移動(dòng)站間的信息傳輸;通過(guò)軟件自動(dòng)測(cè)試技術(shù)控制示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)改變方位、俯仰和距離參數(shù),控制信號(hào)輻射源設(shè)置信號(hào)參數(shù),快速方便地進(jìn)行無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)性能檢測(cè)。

1 云RTK工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 RTK工作原理

RTK是通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理載波相位觀測(cè)值的差分定位技術(shù),基本原理是將基準(zhǔn)站安裝在某一坐標(biāo)位置點(diǎn),接收衛(wèi)星信號(hào)并采集基準(zhǔn)站載波相位觀測(cè)值,通過(guò)無(wú)線電臺(tái)等數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)時(shí)發(fā)送給移動(dòng)站;移動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)并采集載波相位觀測(cè)值,同時(shí)通過(guò)電臺(tái)接收基準(zhǔn)站載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)解調(diào)處理得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)值;對(duì)2個(gè)測(cè)量站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理,完成整周模糊度的解算,最后輸出厘米級(jí)定位精度的移動(dòng)站坐標(biāo)位置信息[4]。

1.2 云RTK測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

云RTK測(cè)量技術(shù)是在傳統(tǒng)RTK技術(shù)通過(guò)電臺(tái)進(jìn)行信息傳輸?shù)幕A(chǔ)上,充分利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)RTK基準(zhǔn)站和移動(dòng)站間的信息傳輸,RTK基準(zhǔn)站通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)將采集到的載波相位數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器,RTK移動(dòng)站通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)將云服務(wù)器上的基準(zhǔn)站載波相位數(shù)據(jù)接收下來(lái),進(jìn)行差分解算坐標(biāo)[5]。

基于云RTK的多平臺(tái)通用型測(cè)向定位示準(zhǔn)裝置主要包括北斗/GPS接收天線、通信天線、RTK基準(zhǔn)站處理設(shè)備、RTK移動(dòng)站處理設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備和顯示控制計(jì)算機(jī)。北斗/GPS接收天線、RTK基準(zhǔn)站處理設(shè)備、RTK移動(dòng)站處理設(shè)備完成設(shè)備坐標(biāo)位置的差分解算;通信天線和無(wú)線傳輸設(shè)備完成RTK基準(zhǔn)設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸;顯示控制計(jì)算機(jī)完成示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置。示準(zhǔn)裝置原理框圖如圖1所示。

圖1 基于云RTK的測(cè)向定位示準(zhǔn)裝置原理框圖

云RTK測(cè)量技術(shù)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)器進(jìn)行各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互,傳輸距離可以達(dá)到30～40 km左右,減少傳統(tǒng)RTK電臺(tái)因傳輸距離限制需要多次挪動(dòng)位置測(cè)量的累積誤差;降低對(duì)使用環(huán)境電磁波通視條件和光學(xué)能見(jiàn)度等因素限制,可以適應(yīng)山地、丘陵等復(fù)雜地形條件應(yīng)用,能夠提供快速、全地域、全天候的高精度示準(zhǔn)測(cè)量。

2 基于云RTK技術(shù)的測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)工作原理

基于云RTK的多平臺(tái)通用型測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示,可以適用于無(wú)人機(jī)載、車(chē)載和便攜等平臺(tái)。其中無(wú)人機(jī)載平臺(tái)應(yīng)用可以滿足被測(cè)設(shè)備方位、俯仰和距離等參數(shù)的精確示準(zhǔn);車(chē)載平臺(tái)應(yīng)用和便攜平臺(tái)應(yīng)用可以滿足被測(cè)設(shè)備方位和距離等參數(shù)的精確示準(zhǔn)。顯示控制計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件自動(dòng)測(cè)試技術(shù)控制示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)改變方位、俯仰和距離參數(shù),按照需求控制信號(hào)輻射源設(shè)置信號(hào)參數(shù),實(shí)時(shí)讀取無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和方位、俯仰和距離測(cè)量參數(shù),對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)性能評(píng)估判斷,工作效率高,準(zhǔn)確性好。

圖2 基于云RTK的測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景

2.2 常用坐標(biāo)系及RTK測(cè)向定位結(jié)果解算

確定地面上某觀察點(diǎn)相對(duì)于地球的位置信息是衛(wèi)星導(dǎo)航和遙測(cè)定位計(jì)算中的基本任務(wù),通常需要建立合理的坐標(biāo)系,以便準(zhǔn)確地描述被測(cè)點(diǎn)與觀察點(diǎn)的幾何位置關(guān)系和坐標(biāo)位置信息[6]。

2.2.1 常用地球坐標(biāo)系介紹

在大地坐標(biāo)系中,空間某觀測(cè)點(diǎn)P的大地坐標(biāo)位置信息P(B,L,H)主要用緯度B、經(jīng)度L、高程H表示。大地緯度B表示赤道面與觀測(cè)點(diǎn)P處參考橢球法線PO的夾角;大地經(jīng)度L表示參考橢球起始子午面NGS與觀測(cè)點(diǎn)P和參考橢球自轉(zhuǎn)軸所在面NPS之間的夾角;大地高程H是觀測(cè)點(diǎn)P沿該點(diǎn)法線到橢球面的距離;原心O表示Z軸與觀測(cè)點(diǎn)P沿地球橢球表面的法線方向延長(zhǎng)線的相交點(diǎn)。大地坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 大地坐標(biāo)系

在空間直角坐標(biāo)系中,空間中某觀測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)位置信息P(x,y,z)主要用該觀測(cè)點(diǎn)投影在X軸、Y軸、Z軸上的長(zhǎng)度來(lái)表示。X軸正向指向赤道與本初子午面的交點(diǎn)G;Y軸按照右手坐標(biāo)系均與Z軸和X軸的夾角呈90°;Z軸正向指向地球橢球的北極點(diǎn)N;原心O表示地球橢球的中心。空間直角坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 空間直角坐標(biāo)系

在東北天坐標(biāo)系中,空間中某觀測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)位置信息P(E,N,U)主要用東向E、北向N、天向U來(lái)表示。x軸(東向E)與地球長(zhǎng)半軸重合;y軸(北向N)與地球短半軸重合;z軸(天向U)與地球法線重合,向上為正;原點(diǎn)O表示以站心(如北斗/GPS接收天線中心)為坐標(biāo)系中心,主要用于測(cè)量以觀察者為中心的其他物體坐標(biāo)位置信息和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,東北天坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 東北天坐標(biāo)系

2.2.2 RTK測(cè)向定位結(jié)果解算算法

在衛(wèi)星導(dǎo)航和遙測(cè)定位計(jì)算中,需要對(duì)空間中同一觀測(cè)點(diǎn)在不同坐標(biāo)系之間的位置信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度直接決定著目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性和精度。根據(jù)常用坐標(biāo)系的幾何位置關(guān)系,空間直角坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系和東北天坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程主要包括以下步驟[7]。

首先,根據(jù)大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系之間的幾何位置關(guān)系,需要將RTK基準(zhǔn)站記錄的大地坐標(biāo)位置信息(緯度Bz,經(jīng)度Lz,高程Hz)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)信息(xz,yz,zz),轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

(1)

將RTK移動(dòng)站記錄的大地坐標(biāo)位置信息 (緯度Bc,經(jīng)度Lc,高程Hc)轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)信息(xc,yc,zc),轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

(2)

然后,將RTK移動(dòng)站由空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以RTK基準(zhǔn)站為原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)信息(E,N,U),轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

(3)

最后,根據(jù)東北天坐標(biāo)信息(E,N,U)計(jì)算RTK基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的距離R、方位角A和俯仰角E,獲得設(shè)置的距離、方位和俯仰等示準(zhǔn)參數(shù)。計(jì)算數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

(4)

A=arctan(E/N)

(5)

(6)

2.3 測(cè)向定位設(shè)備示準(zhǔn)及自動(dòng)測(cè)試技術(shù)

無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)向定位性能是設(shè)備主要功能,如何快速、方便地對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試和合理評(píng)估是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]介紹了一種適用于機(jī)載電子偵察設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),但是需要通過(guò)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度才能對(duì)電子偵察設(shè)備的測(cè)向能力進(jìn)行定量分析。針對(duì)部分固定站無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)功能或者信號(hào)輻射源位置遠(yuǎn)距離變化的問(wèn)題,測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)將云RTK技術(shù)與自動(dòng)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合,利用示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)完成測(cè)試所需的方位、俯仰和距離參數(shù)示準(zhǔn),接收被測(cè)設(shè)備上報(bào)測(cè)量參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和性能評(píng)估。測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試流程框圖

(1) 選擇云RTK移動(dòng)站的應(yīng)用平臺(tái),安裝好測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備;

(2) 按照選取的測(cè)試點(diǎn)位置,進(jìn)行被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備方位、俯仰面的零值(0°)標(biāo)定;

(3) 根據(jù)指令,選擇示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)工作模式,主要包括方位示準(zhǔn)模式、俯仰示準(zhǔn)模式和距離示準(zhǔn)模式;

(4) 通過(guò)記錄的被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備位置坐標(biāo)和RTK移動(dòng)站的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo),計(jì)算出測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)理論方位、俯仰和距離參數(shù)值;

(5) 將被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際測(cè)試方位、俯仰和距離參數(shù)值送到顯示控制計(jì)算機(jī),通過(guò)軟件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出設(shè)備實(shí)測(cè)值與示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)理論值的差異,輸出性能評(píng)估報(bào)告。

3 系統(tǒng)示準(zhǔn)測(cè)試流程及數(shù)據(jù)處理

3.1 零值標(biāo)定流程

(1) 通過(guò)云服務(wù)器配套應(yīng)用軟件,設(shè)置好相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)端口參數(shù),選擇使用的SIM卡對(duì)應(yīng)運(yùn)營(yíng)商接入點(diǎn)名稱,實(shí)現(xiàn)RTK設(shè)備、測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)和顯示控制計(jì)算機(jī)的移動(dòng)互聯(lián);

(2) 通過(guò)被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的正北角值和方位機(jī)械0°位置,結(jié)合云RTK設(shè)備進(jìn)行方位面的0°值標(biāo)定;

(3) 通過(guò)被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的正北角值和俯仰機(jī)械0°位置,結(jié)合云RTK設(shè)備進(jìn)行俯仰面的0°值標(biāo)定。

3.2 示準(zhǔn)模式工作流程

示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)工作模式主要包括方位示準(zhǔn)模式、俯仰示準(zhǔn)模式和距離示準(zhǔn)模式,示準(zhǔn)模式主要工作流程如下:

(1) 根據(jù)測(cè)試示準(zhǔn)參數(shù)需求,分時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的工作模式為方位/俯仰/距離示準(zhǔn)模式;

(2) 分時(shí)設(shè)置下發(fā)測(cè)量的方位/俯仰/距離示準(zhǔn)范圍、駐留時(shí)間等參數(shù);

(3) 分時(shí)制定方位/俯仰/距離示準(zhǔn)測(cè)量計(jì)劃,主要設(shè)置參數(shù)包含方位/俯仰/距離起止范圍、方位/俯仰/距離步進(jìn)、方位/俯仰/距離駐留時(shí)間等;

(4) 制定信號(hào)輻射源測(cè)量計(jì)劃,主要設(shè)置參數(shù)包含信號(hào)輻射源起止頻率、頻率掃描步進(jìn)、頻率駐留時(shí)間等;

(5) 分時(shí)控制應(yīng)用平臺(tái)按照方位/俯仰/距離示準(zhǔn)設(shè)置路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng),信號(hào)輻射源按照信號(hào)源設(shè)置參數(shù)通過(guò)輻射天線發(fā)射信號(hào);

(6) 被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備接收輻射源信號(hào),分時(shí)測(cè)量并記錄信號(hào)頻率、方位/俯仰/距離參數(shù)值。

3.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)被測(cè)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備上報(bào)的偵測(cè)結(jié)果參數(shù),自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)按照設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求自動(dòng)完成被測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)分析和性能判定,輸出性能評(píng)估報(bào)告。計(jì)算被測(cè)設(shè)備性能參數(shù)理論值與實(shí)測(cè)值的誤差方法主要包括:

(1) 示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)理論方位值為θA,被測(cè)設(shè)備方位實(shí)測(cè)值為θAT,方位選取點(diǎn)為M個(gè),每個(gè)方位點(diǎn)選取頻率點(diǎn)為N個(gè),則被測(cè)設(shè)備方位測(cè)量誤差為:

(7)

(2) 示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)理論俯仰值為θE,被測(cè)設(shè)備俯仰實(shí)測(cè)值為θET,俯仰選取點(diǎn)為M個(gè),每個(gè)俯仰點(diǎn)選取頻率點(diǎn)為N個(gè),則被測(cè)設(shè)備俯仰測(cè)量誤差為:

(8)

(3) 示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)理論距離值為D,被測(cè)設(shè)備俯仰實(shí)測(cè)值為DT,距離選取點(diǎn)為M個(gè),每個(gè)距離點(diǎn)選取頻率點(diǎn)為N個(gè),則被測(cè)設(shè)備距離測(cè)量誤差為:

(9)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合云RTK技術(shù)和小型化信號(hào)輻射源特點(diǎn),充分利用4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)器進(jìn)行云RTK設(shè)備和測(cè)向定位示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互,可以快速、方便地進(jìn)行示準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置,解決傳統(tǒng)方位、俯仰和距離基準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)調(diào)試工作量大和使用環(huán)境限制的問(wèn)題;通過(guò)軟件自動(dòng)測(cè)試技術(shù)根據(jù)測(cè)試需求控制示準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)置示準(zhǔn)參數(shù),實(shí)時(shí)讀取無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和方位、俯仰和距離測(cè)量參數(shù),被測(cè)設(shè)備技術(shù)性能檢測(cè)樣本數(shù)量多,自動(dòng)化程度高,測(cè)試準(zhǔn)確性好,能夠滿足車(chē)載、機(jī)載、便攜等多型平臺(tái)的示準(zhǔn)測(cè)試應(yīng)用。