機(jī)載合作目標(biāo)處高精度測(cè)量方法研究

劉 艷，張 旭，孫 杰

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧大連116023)

0 引言

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控設(shè)備的測(cè)量精度逐步提高，飛行檢驗(yàn)中真值高精度測(cè)量是試驗(yàn)的關(guān)鍵。真值測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量等問(wèn)題是試驗(yàn)成功的重要影響因素。目前使用的差分GPS測(cè)量系統(tǒng)由于受基準(zhǔn)站位置、GPS信號(hào)強(qiáng)弱及使用權(quán)限等多種因素的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差，并有斷點(diǎn)或斷線現(xiàn)象，并且沒(méi)有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)。GPS/INS組合導(dǎo)航是一種高精度導(dǎo)航方式，大多應(yīng)用于各國(guó)精密制導(dǎo)武器、精確導(dǎo)航運(yùn)載體等方面［1］。利用INS高精度姿態(tài)測(cè)量技術(shù)和GPS高精度位置測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲得合作目標(biāo)處高精度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量結(jié)果?；蛘哂脩舾鶕?jù)自己的需要，選擇不同的定位模式來(lái)保證獲得最佳的定位精度。采用GPS/INS進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)真值測(cè)量是解決目前真值測(cè)量精度不夠高、測(cè)量設(shè)備工作不可靠、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量問(wèn)題的有效手段。

1 飛行檢驗(yàn)中真值測(cè)量的需求分析

1.1 飛行檢驗(yàn)中真值測(cè)量的方法

飛行檢驗(yàn)是為了檢驗(yàn)測(cè)控設(shè)備技術(shù)性能進(jìn)行的聯(lián)合試驗(yàn)。以飛機(jī)為測(cè)量目標(biāo)，按照預(yù)定的航路進(jìn)行飛行，測(cè)控設(shè)備按照預(yù)定的跟蹤航路區(qū)間進(jìn)行跟蹤測(cè)量。把高精度飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量值作為真值，是測(cè)控設(shè)備對(duì)比的依據(jù)，因此，真值測(cè)量值是否準(zhǔn)確、可靠是飛行檢驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。真值測(cè)量方法是采用局域差分DGPS測(cè)量方法［2］，在不同的區(qū)域設(shè)有固定基準(zhǔn)站，在飛機(jī)的不同部位分別布設(shè)移動(dòng)的GPS測(cè)量設(shè)備，事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算出測(cè)控設(shè)備跟蹤點(diǎn)或者合作目標(biāo)處的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分別對(duì)光測(cè)、雷測(cè)和遙測(cè)設(shè)備進(jìn)行性能檢驗(yàn)或精度檢驗(yàn)。

1.2 飛行檢驗(yàn)真值測(cè)量中存在的不足

真值測(cè)量的精準(zhǔn)度越高，對(duì)測(cè)控設(shè)備的檢驗(yàn)校正就越準(zhǔn)確。局域差分DGPS測(cè)量方法一定程度上滿足了目前飛行檢驗(yàn)中真值測(cè)量的要求。但在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足，主要表現(xiàn)在以下方面:

①GPS測(cè)量信號(hào)經(jīng)常遇到信號(hào)遮擋及衰減，使信號(hào)不能使用。

②受多徑干擾比較嚴(yán)重，造成大的測(cè)距誤差，嚴(yán)重降低應(yīng)用于精密測(cè)量的載波相位測(cè)距所需的模糊度解算處理性能。

③抗干擾能力比較弱，常常受到各種有意或無(wú)意的電子干擾，使其性能下降甚至無(wú)法工作［3］。

④真值測(cè)量點(diǎn)與測(cè)控設(shè)備的跟蹤點(diǎn)有一定的差距。雷達(dá)測(cè)量設(shè)備跟蹤的是雷達(dá)合作目標(biāo)處，以紅外跟蹤為主的光測(cè)設(shè)備跟蹤的是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)處，遙測(cè)設(shè)備所跟蹤的是遙測(cè)信號(hào)發(fā)射處。目前的真值測(cè)量點(diǎn)是飛機(jī)前或后的某個(gè)部位，與測(cè)控設(shè)備跟蹤點(diǎn)有一定的距離，存在一定的誤差。離目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量有一定的差距。

⑤差分GPS測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中沒(méi)有目標(biāo)飛行姿態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 GPS/INS組合導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在航空器上搭載的導(dǎo)航系統(tǒng)多為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS全球定位系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)這2種導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，克服各自缺點(diǎn)，充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，使組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)精度高于各自導(dǎo)航系統(tǒng)的精度［4］。對(duì)GPS系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)的校正可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度［5］。GPS/INS組合可以實(shí)現(xiàn)一體化，把GPS接收機(jī)放入慣導(dǎo)部件中，使系統(tǒng)的體積、重量和成本都可以減少，且便于實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)和 GPS的同步，減小非同步誤差［6］?？傊?，GPS/INS組合可以構(gòu)成一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向［7］。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

①GPS/INS組合對(duì)改善系統(tǒng)精度有利;

②GPS/INS組合加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力;

③解決GPS動(dòng)態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問(wèn)題;

④組合系統(tǒng)可降低對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能要求;

⑤組合系統(tǒng)可高精度獲得載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

3 合作目標(biāo)處的真值測(cè)量方法

在飛行目標(biāo)跟蹤過(guò)程中，由于測(cè)控設(shè)備工作的原理不同，測(cè)控設(shè)備跟蹤的是目標(biāo)的不同部位。合作目標(biāo)是為了有效完成測(cè)控設(shè)備的測(cè)量跟蹤，在飛機(jī)的不同部位安裝一定的合作目標(biāo)［8］，利于光測(cè)、雷測(cè)和遙測(cè)設(shè)備對(duì)飛機(jī)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、跟蹤。所以，合作目標(biāo)處真值測(cè)量的精度是飛行檢驗(yàn)的關(guān)鍵所在。

3.1 建立坐標(biāo)系

建立地心空間直角坐標(biāo)系:選取DX-1號(hào)參考橢球體原點(diǎn)OG為參考橢球中心，OGXG軸為赤道平面與本初子午面的交線，向外為正;OGZG軸與參考橢球體旋轉(zhuǎn)軸重合，向上為正;OGYG軸在赤道平面內(nèi)，與OGXG、OGZG軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的位置向量和速度向量記為XG。

建立測(cè)量坐標(biāo)系(東北天坐標(biāo)系):原點(diǎn)O為測(cè)量設(shè)備中心，OX軸位于O點(diǎn)的參考橢球體切平面內(nèi)，指向大地東;OY軸位于O點(diǎn)的參考橢球體切平面內(nèi)，指向大地北;OZ軸為O點(diǎn)的法線，向上為正。坐標(biāo)系中的位置向量和速度向量記為X。

建立飛行體坐標(biāo)系:原點(diǎn)OM為飛行體質(zhì)心，OMXM軸為飛行員體縱軸，指向飛行體頭部方向;OMYM軸位于飛行體縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，與OMXM軸垂直，指向上為正;OMZM軸垂直于OMXMYM平面，與OMXM、OMYM軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的位置向量和速度向量記為XM。

3.2 飛行體坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

飛行體坐標(biāo)系相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的姿態(tài)，通常用3個(gè)姿態(tài)角參數(shù)(俯仰角?、偏航角ψ、滾動(dòng)角γ)來(lái)表示。俯仰角指繞橫軸OMZM的轉(zhuǎn)動(dòng)角，迎OMZM方向逆時(shí)針為正;偏航角為繞立軸OMYM的轉(zhuǎn)動(dòng)角，迎OMYM方向逆時(shí)針為正;滾動(dòng)角指繞縱軸OMXM的轉(zhuǎn)動(dòng)角，迎OMXM方向逆時(shí)針為正［9］。測(cè)量坐標(biāo)系與飛行體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣即為3個(gè)初等轉(zhuǎn)換矩陣的乘積:

將飛行體坐標(biāo)系的位置向量轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系中的表達(dá)式為:

3.3 測(cè)量坐標(biāo)系與地心空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

測(cè)量坐標(biāo)系的位置向量轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為:

式中，XGo為測(cè)量坐標(biāo)系原點(diǎn)O在地心空間直角坐標(biāo)系中的位置。

4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

下面模擬的合作目標(biāo)處真值測(cè)量方法，是利用北斗星通有限公司提供的車載GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算。利用地面車輛試驗(yàn)所獲得的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，可有效驗(yàn)證飛機(jī)上使用組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)合作目標(biāo)的測(cè)量方法。在飛行體坐標(biāo)系下，距質(zhì)心約2 m，車上指定P(x0，y0，z0)(合作目標(biāo)處)，利用車載GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算，得到2組導(dǎo)航數(shù)據(jù):一組為單獨(dú)使用GPS測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移和轉(zhuǎn)換，得到地心坐標(biāo)系下導(dǎo)航數(shù)據(jù);另一組為使用GPS/INS組合導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移和轉(zhuǎn)換，得到地心坐標(biāo)系下導(dǎo)航數(shù)據(jù)。由于載體是地面以跑車的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有時(shí)數(shù)據(jù)變化比較大。結(jié)果分析是建立在以某種狀態(tài)下為真值進(jìn)行比對(duì)的，目的是為了說(shuō)明一種測(cè)量方式比另一種測(cè)量方式測(cè)量精度高，或者存在一定的測(cè)量誤差。

4.1 仿真計(jì)算的結(jié)果

車上指定位置處單獨(dú)使用GPS測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和GPS/INS組合導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換2組數(shù)據(jù)比對(duì)。地心坐標(biāo)系下2個(gè)系統(tǒng)在XYZ方向上的位置誤差和均方根誤差如圖1所示。

圖1 位置誤差和均方根誤差

4.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算和曲線分析，在X軸方向最大存在12 m誤差;系統(tǒng)誤差6.628 m;均方根誤差7.150 m。Y軸方向最大存在12 m誤差;系統(tǒng)誤差8.211 m;均方根誤差8.908 m。Z軸方向最大存在-28 m的誤差;平均誤差1.714 m;均方根誤差2.839 m。這一算例說(shuō)明，使用GPS/INS組合測(cè)量獲得的導(dǎo)航數(shù)據(jù)與單獨(dú)使用GPS測(cè)量獲得的導(dǎo)航數(shù)據(jù)相比，總系統(tǒng)誤差為11.387 m;總均方根誤差為11.770 m。

5 結(jié)束語(yǔ)

合作目標(biāo)處真值測(cè)量是飛行檢驗(yàn)中的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)校飛中真值測(cè)量的需求分析，進(jìn)一步明確了GPS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)在飛行檢驗(yàn)中應(yīng)用的可行性。結(jié)合北斗星通提供的車載單GPS測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS/INS組合測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，用實(shí)例驗(yàn)證了2種導(dǎo)航方式在對(duì)合作目標(biāo)位置測(cè)量上存在一定的測(cè)量誤差。研究的結(jié)果表明:①GPS/INS組合導(dǎo)航在技術(shù)性能上可以相互補(bǔ)充，可有效提高系統(tǒng)的精度和可靠性;② 對(duì)合作目標(biāo)處測(cè)量，使用帶有姿態(tài)測(cè)量的組合導(dǎo)航系統(tǒng)比單一GPS測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度高，可靠性好。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是解決飛行檢驗(yàn)中存在問(wèn)題的有效途徑。

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