基于雙GPS載波相位差分的船載目標(biāo)歸心算法研究

杜 輝，楊開偉，李娟娟，時小飛

（1.中國人民解放軍92941部隊，葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081）

基于雙GPS載波相位差分的船載目標(biāo)歸心算法研究

杜 輝1，楊開偉2，3，李娟娟2，3，時小飛2，3

（1.中國人民解放軍92941部隊，葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081）

為完成對船載特定目標(biāo)測量任務(wù)，本文提出一種基于雙GPS載波相位差分模式，建立載體瞬時坐標(biāo)系和船載待測點間相對位置關(guān)系，將主GPS天線位置歸算到待測點的方法。實際測試結(jié)果表明，該方法能得到待測點各時刻三維位置和速度信息，精度優(yōu)于傳統(tǒng)單GPS修正方法，并具有實現(xiàn)簡單、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、易于工程實現(xiàn)的優(yōu)勢。

單雙GPS測量；載波相位；歸心算法；坐標(biāo)系

1 引言

艦船關(guān)鍵位置的測量在艦船建造、設(shè)備安裝與試驗過程中發(fā)揮著重要作用。由于艦船目標(biāo)電磁環(huán)境復(fù)雜、待測點無法安裝GPS天線、待測點附近環(huán)境復(fù)雜且遮擋嚴(yán)重?zé)o法實現(xiàn)載波相位差分定位等原因，GPS最佳測量點只能位于艦艏或艦尾，因此，必須通過間接測量方式計算待測點瞬時坐標(biāo)[1-2]。如果要實現(xiàn)精確的部位修正，傳統(tǒng)方式必須得到目標(biāo)精確的瞬時三維姿態(tài)參數(shù)，即運動載體的偏航角、橫滾角和俯仰角[3]。若利用GPS進(jìn)行測姿必須在一個運動載體的幾個不同位置上分別安裝GPS接收天線，利用GPS定位數(shù)據(jù)求解出運動載體的姿態(tài)參數(shù)。利用GPS載波相位信號作為觀測值，其定位精度很高，可實現(xiàn)載體姿態(tài)測量[4]。GPS測姿平臺至少需要三點或兩個非重疊矢量來確定，最少需要在運動載體上安設(shè)三個GPS接收天線，才能形成兩條獨立的基線，并且為保證精度，應(yīng)盡可能保證較遠(yuǎn)的基線長度[5]。由于條件限制，在艦船上實現(xiàn)三天線測姿非常困難。本文在分析艦船結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，提出了一種利用雙GPS測量艦船瞬時艏艉線實現(xiàn)部位修正的方法，該方法實現(xiàn)簡單且易于實際工程應(yīng)用，具有較高的艏艉線修正精度。

2 基于雙GPS載波相位差分結(jié)果目標(biāo)測量方法

2.1 測量天線與待測點相對位置關(guān)系建立

由于艦船中線有很高的裝配精度，GPS天線應(yīng)以艦船中線為基準(zhǔn)裝于關(guān)鍵點位同測。艦尾安裝環(huán)境較為寬松，只要滿足艦艏GPS天線安裝，再安裝艦尾GPS天線，使兩天線距離中線相等。安裝結(jié)束后需測量出各天線相位中心點到基座平臺及艦中線的距離。由于待測關(guān)鍵點相對于載體位置已知，因此，關(guān)鍵點位置與艦尾GPS天線相位中心平行中線距離已知。由于載體運動時姿態(tài)變化較大，且測量環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)在艦船離港前進(jìn)行不少于0.5h的測量，以獲得兩GPS天線之間的平行中線距離。各點位位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 位置關(guān)系圖

2.2 載體瞬時坐標(biāo)系建立

由于艦尾裝備較少，干擾和遮擋較小，且便于載體坐標(biāo)系建立，選擇艦尾GPS天線相位中心為載體瞬時坐標(biāo)系原點。OX軸：過坐標(biāo)原點的切平面內(nèi)，指向艦艏GPS天線相位中心在切平面的投影點；OY軸：過坐標(biāo)原點的切平面的法線，指向向上；OZ軸：過坐標(biāo)原點的切平面內(nèi)，與OX、OY軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。依定義有WGS-84到載體瞬時坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，Rx(A)，Rx(A)，Rx(A)為旋轉(zhuǎn)矩陣。

Aox是艦尾GPS天線相位中心與艦首GPS天線相位中心連線形成的大地線的大地方位角。設(shè)艦尾GPS天線相位中心瞬時位置坐標(biāo)為艦首GPS天線相位中心瞬時位置坐標(biāo)為，將Aox置零，帶入式（1）有：

（Xqj,Yqj,Zqj）為艦首GPS天線相位中心在瞬時平臺坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其中，i=1，2，…，n，n為艦尾GPS記錄點數(shù)；j=1，2，…，m，m為艦首GPS記錄點數(shù)。Aox計算公式為：

計算時應(yīng)注意Aox的象限判斷。

2.3 部位修正

艦船上各裝備位置關(guān)系如圖1所示，由于所關(guān)心的是關(guān)鍵點位之間的關(guān)系，在假定艦船為剛體目標(biāo)時，各關(guān)鍵點之間的關(guān)系與艦船形狀無關(guān)，各點在載體瞬時坐標(biāo)系關(guān)系如圖2所示。

圖2 載體瞬時坐標(biāo)系關(guān)系圖

已知信息包括：一是艦前GPS天線相位中心水平投影距中線距離Wq，艦尾GPS天線相位中心水平投影距中線距離Wh，待測點水平投影距中線距離Wc，且有Wq＝Wh。二是艦前GPS天線相位中心與艦尾GPS天線相位中心水平投影與艦船中線平行距離Lq，待測點與艦尾GPS天線相位中心水平投影與艦船中線平行距離Lc。三是艦前GPS天線相位中心距待測點基座水平面距離Hq，艦尾GPS天線相位中心距待測點基座水平面距離Hh，待測點距其基座水平面距離Hc，并設(shè)Hh＞Hq＞Hc。

設(shè)t時刻艦前與艦尾GPS測量的大地高度為hq，hh，此時待測點基座水平面與載體瞬時坐標(biāo)系平面夾角Psz計算公式為

設(shè)t時刻待測點在載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（xt，yt，zt），則有：

設(shè)t時刻艦尾地心坐標(biāo)為［Xωt，Yωt，Zωt］，則待測點地心坐標(biāo)（xt，yt，zt）為：

3 測試分析

圖3 X，Y，Z方向一次差曲線

以某次實測數(shù)據(jù)為例，待測點位于艦艏艉線右側(cè)，水平投影距中線距離3.24m，與艦尾GPS天線相位中心沿艦艏艉線方向距離27.53m，高于基面5.78m。GPS接收機為JAVAD雙頻接收機，記錄頻率20Hz，兩GPS天線水平投影距艦中線距離相等，艦前GPS天線相位中心高于基面1.12m，艦尾GPS天線相位中心高于基面0.71m。雙GPS部位修正與單GPS計算航向部位修正結(jié)果在相同時刻三維地心坐標(biāo)一次差值曲線如圖3所示。以雙GPS部位修正結(jié)果為基準(zhǔn)，對單GPS計算航向部位修正結(jié)果進(jìn)行分析，其趨勢性偏差和隨機性偏差統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 偏差統(tǒng)計

分析兩種測姿計算結(jié)果可知：由于受風(fēng)浪等因素的影響，艦船運行方向與艏艉線指向不同，使用計算航向代替大地方位角存在指向偏差，且無法計算角Psz，當(dāng)目標(biāo)速度小于一定數(shù)值或艦船轉(zhuǎn)彎時，艦船速度變化劇烈，計算航向突變散亂現(xiàn)象嚴(yán)重，單GPS計算航向部位修正失效。基于以上分析得出，雙GPS部位修正精度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性都優(yōu)于單GPS計算航向部位修正結(jié)果。

4 結(jié)束語

利用GPS載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)測量艦船瞬時艏艉線實現(xiàn)部位修正具有高精度、投入小、不受天氣限制等優(yōu)點，并且可根據(jù)試驗的實際環(huán)境靈活安裝天線，具有其他測量手段所沒有的優(yōu)勢。部位修正結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定說明該方法對目標(biāo)姿態(tài)變化具有較強的適應(yīng)性，艦前后GPS基線距離較遠(yuǎn)，因此載體瞬時坐標(biāo)系OX軸方向有很高的修正精度，但由于只有二維信息，坐標(biāo)Y、Z對艦船橫滾角變化較為敏感，修正精度較差，是本方法的不足之處。

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LINEAR ACOUSTIC發(fā)布支持MPEG-H 3D音頻內(nèi)容的制作工具

近日，Telos Alliance電視解決方案集團(tuán)旗下品牌Linear Acoustic發(fā)布全新AMS?監(jiān)聽制作系統(tǒng)。AMS能夠提供實時監(jiān)聽、渲染并制作個性化、沉浸式音頻節(jié)目的綜合解決方案并支持ATSC 3.0數(shù)字電視系統(tǒng)以及ATSC 3.0官方標(biāo)準(zhǔn)中的MPEG-H電視音頻系統(tǒng)。

廣播電視專業(yè)人員和消費者能夠通過MPEG-H獨特的技術(shù)特點享受沉浸式音頻效果以及自然的聆聽體驗。另外，用戶可以通過設(shè)備上的控制界面調(diào)整個性化的聲音效果，該性能包括：選擇不同的體育賽事評論員，通過對音量的調(diào)整增強語音的可懂度等。與此同時，憑借MPEG-H技術(shù)，能夠為不同設(shè)備和收聽環(huán)境定制最佳還放效果并實現(xiàn)通用傳輸，例如：智能手機和家庭影院。

Linear Acoustic AMS為實時廣播而定制，能夠支持沉浸式音頻的實時編寫、渲染和監(jiān)聽工作。其網(wǎng)站界面能夠讓編輯師便捷的實現(xiàn)前面提到的MPEG-H互動性功能，并且定義各種收聽預(yù)設(shè)（MPEG-H電視音頻系統(tǒng)的另一項技術(shù)特征）。實現(xiàn)音頻預(yù)設(shè)的方式為：單個音頻元素，例如聲道分配、聲音對象和場景能與用戶指定的靜態(tài)和動態(tài)元數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而創(chuàng)造出沉浸式和個性化的音頻體驗。

在2017年NAB會議期間（2017年4月24日-27日），Linear Acoustic AMS榮獲TV Technology雜志頒發(fā)的“2017最佳展示獎”。了解更多關(guān)于Linear Acoustic AMS的信息，歡迎訪問：https://www.telosalliance.com/Linear/Linear-Acoustic-AMS-Authoring-Monitoring

Research on Shipborne Target Centering Algorithm Based on Dual GPS Carrier Phase Difference

Du Hui1, Yang Kaiwei2,3, Li Juanjuan2,3, Shi Xiaofei2,3
(1.92941Unit, the People’s Liberation Army, Huludao, 125001; 2.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081; 3.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang,050081)

Because of the particularity of the ship structure, the single GPS traditional measurement method can not meet the measurement requirements of the ship-borne special target. In order to accomplish the task of the ship-specific target measurement, this paper proposes a method based on the dual GPS carrier phase difference model to establish the relative position relationship between the carrier instantaneous coordinate system and the ship-to-be measured point, the main GPS antenna position to the measured point method. The experimental results show that the proposed method can obtain the 3D position and velocity information at each time point to be measured, and the accuracy is superior to the traditional single GPS correction method, and has the advantages of simple realization, data stabilization and easy engineering realization.

Dual GPS measurement; carrier phase; Centering algorithm; coordinate system

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.002

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）06-0005-04

杜 輝，男，1979年生，碩士，工程師，主要研究方向為導(dǎo)航與定位。