無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

黎瓊煒 李效輝 劉 旋 朱春陽(yáng)

（北京航空工程技術(shù)研究中心計(jì)量站，北京100076）

1 引 言

近年來(lái)，以“翼龍”、“彩虹”為代表的中國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，在反輻射無(wú)人機(jī)、隱身無(wú)人機(jī)以及無(wú)人機(jī)集群等領(lǐng)域緊跟國(guó)際前沿甚至局部領(lǐng)先。

目前，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)計(jì)量工作主要集中在研制生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)量保證工作，使用維護(hù)階段的計(jì)量保障還處于一種初級(jí)階段。 型號(hào)研制生產(chǎn)單位編制《計(jì)量保證大綱》，對(duì)研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)量控制，確保無(wú)人機(jī)研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程中計(jì)量單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確一致、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠［1，2］。 由于沒(méi)有很好地貫徹GJB 5109《裝備計(jì)量保障通用要求檢測(cè)和校準(zhǔn)》［3］，無(wú)人機(jī)在交付使用后，缺少預(yù)留的測(cè)試接口和專(zhuān)用的測(cè)量校準(zhǔn)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員無(wú)法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定，一般采用高可靠性設(shè)計(jì)思路，依靠PMA 自動(dòng)測(cè)試程序獲取傳感器狀態(tài)；基層使用維護(hù)人員在對(duì)整機(jī)性能驗(yàn)證時(shí)，大多采用“拉距離”的方式，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)易測(cè)試。

針對(duì)無(wú)人機(jī)使用維護(hù)階段的計(jì)量保障需求，結(jié)合無(wú)人機(jī)使用特點(diǎn)，在無(wú)人機(jī)各參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，筆者提出以無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈路計(jì)量保障為重點(diǎn)的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分析

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

我們按照功能將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分四部分。

1）無(wú)線電測(cè)控系統(tǒng)

這一部分也稱(chēng)為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，包括遙測(cè)、遙控、跟蹤測(cè)量設(shè)備，信息傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)中繼設(shè)備等，用以指揮操縱無(wú)人機(jī)飛行，并將無(wú)人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)及偵察信息數(shù)據(jù)傳到控制站［4，5］。 因?yàn)閿?shù)據(jù)鏈的信息中幾乎包含了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的所有狀態(tài)信息，因此對(duì)數(shù)據(jù)鏈的校準(zhǔn)是無(wú)人機(jī)校準(zhǔn)的重點(diǎn)；

2）飛行器系統(tǒng)

包括無(wú)人機(jī)，發(fā)射與回收設(shè)備，飛行控制與導(dǎo)航設(shè)備，傳感器裝置等，主要用以保證飛機(jī)完成各種飛行動(dòng)作；

3）任務(wù)系統(tǒng)

包括為完成各種任務(wù)而需要在無(wú)人機(jī)上裝載的各類(lèi)設(shè)備；

4）保障系統(tǒng)

包括各類(lèi)檢測(cè)校準(zhǔn)設(shè)備，維修設(shè)備，運(yùn)輸設(shè)備，后勤設(shè)備等。

2.2 無(wú)人機(jī)計(jì)量保障需求

現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的維修保障采用二級(jí)維修模式：在基層級(jí)，通過(guò)PMA 獲取機(jī)載傳感器狀態(tài)并初始化傳感器，更換LRM；在基地級(jí)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行拆解和修理。 這種維修保障模式使得傳統(tǒng)計(jì)量保障模式不再適用。

傳統(tǒng)手段需要對(duì)無(wú)人機(jī)部件進(jìn)行拆解，按照通用校準(zhǔn)檢定規(guī)程，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，由專(zhuān)業(yè)計(jì)量人員進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。 這種方法的測(cè)試步驟復(fù)雜，同時(shí)會(huì)降低部分關(guān)鍵部件的可靠性，且不能直接反映整機(jī)性能。 傳統(tǒng)的計(jì)量是將無(wú)人機(jī)各組成要素作為獨(dú)立的對(duì)象處理，開(kāi)展的主要是單設(shè)備計(jì)量。 在這種方式下，即使無(wú)人機(jī)所有單元均計(jì)量合格，也不能保證整機(jī)能達(dá)到應(yīng)有的效能。

因此，需要在無(wú)人機(jī)計(jì)量保障中推行全系統(tǒng)計(jì)量理念，核心是研究和建立無(wú)人機(jī)全系統(tǒng)的計(jì)量參數(shù)體系、計(jì)量方法和計(jì)量手段，解決系統(tǒng)間互相影響的問(wèn)題，精準(zhǔn)掌控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)級(jí)技術(shù)狀態(tài)，支撐體系對(duì)抗能力的形成和保持。

3 無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)專(zhuān)用校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

3.1 工作原理

利用雷達(dá)和無(wú)線電通信技術(shù)，采用多點(diǎn)定位的方法，模擬不同條件下的電磁環(huán)境，擬合航行軌跡的方式［6－8］，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行性能、動(dòng)力裝置、起飛／著陸、飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械電子電氣設(shè)備、無(wú)線電測(cè)控與信息傳輸系統(tǒng)、地面控制站、機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行整機(jī)計(jì)量，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)的整機(jī)參數(shù)。

3.2 動(dòng)態(tài)專(zhuān)用校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)由電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)、無(wú)線電信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成。

1）電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)主要作用是模擬真實(shí)場(chǎng)電磁環(huán)境背景，確定不同干擾信號(hào)強(qiáng)度對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的影響；

2）無(wú)線電信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)在模擬的電磁環(huán)境條件下，采用非接觸方式，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)機(jī)載和地面控制站之間的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行真實(shí)信號(hào)測(cè)量，并利用無(wú)線定位手段繪制航行軌跡，分析無(wú)人機(jī)真實(shí)狀態(tài)；

3）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、不確定度分析和指標(biāo)判定，并完成檢定或校準(zhǔn)證書(shū)的生成等工作。

3.3 電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)

電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)由一個(gè)多通道數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可能對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈造成干擾的短波、超短波、微波等頻段內(nèi)所有信號(hào)，通過(guò)功率放大，和選用高增益天線，在劃定區(qū)域內(nèi)模擬出復(fù)雜的電磁環(huán)境，并調(diào)整信號(hào)增益，通過(guò)測(cè)量信號(hào)質(zhì)量的變化或鎖定電平的變化，得到不同功率的干擾信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的影響。 系統(tǒng)組成如圖1所示。

電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)主要功能如下。

1）具備時(shí)域、空域、頻域、能量域等多維構(gòu)設(shè)能力；

2）具備播放預(yù)先采集的背景信號(hào)，并可編輯、篩選播放信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域背景電磁環(huán)境搬遷；

3）具備對(duì)多頻段、多種樣式電磁信號(hào)模擬重構(gòu)功能，可根據(jù)重構(gòu)策略按時(shí)域、空域、頻域、能量域動(dòng)態(tài)模擬背景電磁信號(hào)，并具有可編程能力；

4）具備電磁信號(hào)、信道數(shù)字化生成能力，可與實(shí)際環(huán)境采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合為無(wú)人機(jī)試驗(yàn)推演與評(píng)估，整機(jī)性能校準(zhǔn)提供電磁環(huán)境數(shù)據(jù)支持；

5）具備機(jī)動(dòng)式構(gòu)設(shè)能力，具備本地控制、遠(yuǎn)程控制、集中控制其他電磁信號(hào)模擬設(shè)備的能力；

6）具備數(shù)據(jù)記錄管理功能，能夠記錄系統(tǒng)工作日志、設(shè)備狀態(tài)、生成信號(hào)等信息，可建立電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、檢索、編輯等操作；

7）具備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，可觀察二維／三維電磁態(tài)勢(shì)，可與計(jì)量保障基地測(cè)控系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息交互功能；

8）具備時(shí)間統(tǒng)一和尋北定位功能。

3.4 無(wú)線電信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)

無(wú)線電信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)采用一體化多天線模式，按照小型化、集成化要求，以多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試為主，也可完成獨(dú)立校準(zhǔn)測(cè)試任務(wù)。 在執(zhí)行計(jì)量保障任務(wù)時(shí)，通過(guò)部署于無(wú)人機(jī)起降機(jī)場(chǎng)周邊或特定試驗(yàn)區(qū)域，采取遠(yuǎn)程遙控方式或人工現(xiàn)場(chǎng)操控方式完成無(wú)線信號(hào)的監(jiān)控和測(cè)量。

該分系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寬頻段、多種類(lèi)信號(hào)的功率、頻率等參數(shù)的測(cè)試和校準(zhǔn)，并利用信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)描繪出無(wú)人機(jī)航線軌跡，從而準(zhǔn)確獲得飛行高度、速度、定位精度、通信能力、抗干擾能力等無(wú)人機(jī)關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 無(wú)線電測(cè)量分系統(tǒng)的組成如圖2所示。

無(wú)線電測(cè)量分系統(tǒng)主要功能如下。

1）信號(hào)測(cè)向和定位

具備單信號(hào)測(cè)向、寬帶多信號(hào)測(cè)向、離散信道測(cè)向、觸發(fā)測(cè)向等功能，能夠利用多個(gè)無(wú)線電測(cè)量分系統(tǒng)組網(wǎng)，采用交匯定位的方式，獲取無(wú)人機(jī)位置信息，并在態(tài)勢(shì)顯示軟件中顯示定位結(jié)果，鎖定跟蹤無(wú)人機(jī)；

圖2 無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)無(wú)線電測(cè)量分系統(tǒng)框圖Fig.2 The radio measurement subsystem of dynamic calibration system for UAV

2）信號(hào)測(cè)量

測(cè)試頻率、場(chǎng)強(qiáng)、帶寬、調(diào)制樣式、碼速率、脈寬、功率等參數(shù)；

3）頻段掃描監(jiān)測(cè)；

4）監(jiān)聽(tīng)錄音

能夠?qū)χ付ǖ腁M，F(xiàn)M，USB 等語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，可根據(jù)設(shè)定條件錄音，根據(jù)頻段、時(shí)間段等組合條件選擇回放，并顯示音頻波形；

5）告警功能

比照標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)頻段信號(hào)的自動(dòng)告警；

6）瞬態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)

能夠捕捉瞬態(tài)信號(hào)，并完成瞬態(tài)信號(hào)累積顯示；

7）數(shù)據(jù)管理

具有測(cè)量信息數(shù)據(jù)庫(kù)，具有記錄系統(tǒng)工作日志、設(shè)備狀態(tài)、生成信號(hào)的功能；

8）控制功能；

9）電子地圖；

10）具備自動(dòng)尋北定位能力；

11）具有系統(tǒng)自檢、故障診斷告警及系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視上報(bào)功能；

12）具備時(shí)間統(tǒng)一功能。

3.5 測(cè)向和定位

傳統(tǒng)的雷達(dá)和GPS 定位系統(tǒng)能夠提供運(yùn)動(dòng)目標(biāo)某時(shí)刻的精確位置，但是缺乏運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)信息（如運(yùn)動(dòng)速度和方向等），雷達(dá)在利用多普勒效應(yīng)在測(cè)速時(shí)，只能提供速度信息，無(wú)法準(zhǔn)確提供運(yùn)動(dòng)位置和方向。 光電經(jīng)緯儀是迄今為止在空間動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位測(cè)量中精度最高的航跡測(cè)量系統(tǒng)，由于其具有實(shí)時(shí)、高精度、動(dòng)態(tài)跟蹤和圖像再現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在飛行試驗(yàn)中被廣泛采用。 這種方法需要在無(wú)人機(jī)上安裝激光反射器，不符合實(shí)際工作需要，光電經(jīng)緯儀還需要輔助外跟蹤雷達(dá)等設(shè)備，成本高，架設(shè)復(fù)雜。 另外，測(cè)量算法的精確性和測(cè)試方法的完備性在很大程度上影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常由于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差修正不夠完善，并在交會(huì)計(jì)算中常常將大目標(biāo)當(dāng)作點(diǎn)目標(biāo)對(duì)待，對(duì)于機(jī)動(dòng)飛行的大目標(biāo)就產(chǎn)生了計(jì)算模型的原理性誤差和方法誤差。 同樣目標(biāo)布站幾何、站址系統(tǒng)誤差也嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位并描繪航行軌跡，我們?cè)跓o(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，采用時(shí)差定位TDOA 技術(shù)提高測(cè)向和定位準(zhǔn)確度。 時(shí)差定位測(cè)向是通過(guò)測(cè)出電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)的傳播時(shí)間差（TDOA）來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。 對(duì)于TDOA方法，可通過(guò)直接計(jì)算TOA 差值或直接估計(jì)時(shí)延差等方法得到TDOA 測(cè)量值，一個(gè)TDOA 測(cè)量值對(duì)應(yīng)的是以兩個(gè)接收機(jī)為焦點(diǎn)的一對(duì)雙曲線，多個(gè)TDOA 測(cè)量值對(duì)應(yīng)的多條雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)無(wú)人機(jī)的位置，如圖3所示。

3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接收機(jī)可以選用TDOA 專(zhuān)用室外接收機(jī)，目前該產(chǎn)品技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)較低，和主站（無(wú)線電測(cè)量分系統(tǒng)）組網(wǎng)，可以精確測(cè)量位置、速度等信息，該方法對(duì)于合作目標(biāo)而言，主要受GPS時(shí)鐘影響，位置準(zhǔn)確度可達(dá)米級(jí)，合作目標(biāo)的位置越遠(yuǎn)，相對(duì)誤差越小。

3 個(gè)TDOA 測(cè)向接收機(jī)和無(wú)線電測(cè)量系統(tǒng)位于4 個(gè)不同位置的站點(diǎn)上，同時(shí)接收一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算其到達(dá)信號(hào)的時(shí)間差，根據(jù)時(shí)間差曲線確定檢測(cè)信號(hào)的方位。 系統(tǒng)采用快速時(shí)差定位技術(shù)測(cè)向，根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的帶寬，采用接近奈奎斯特采樣定位的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，大幅降低數(shù)據(jù)傳輸量，同吋通過(guò)改進(jìn)時(shí)差定位算法，只要較短的有效時(shí)間數(shù)據(jù)就能得到高精度時(shí)差定位方向。

通過(guò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大航行高度、航行速度、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等多個(gè)指標(biāo)或設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。

圖3 時(shí)差定位校準(zhǔn)方法原理圖Fig.3 The principle of the TDOA calibration method

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)計(jì)量保障方案還處于試驗(yàn)階段。 希望通過(guò)更為深入地研究，為基層提供實(shí)用、好用的計(jì)量保障設(shè)備，進(jìn)一步豐富和完善無(wú)人機(jī)計(jì)量保障手段，全面提升計(jì)量保障能力。