基于無人機的測控天線試驗鑒定方法 ①

門 濤，洪 宇，吳宗清，曾 媛，楊 光

(1.宇航動力學國家重點實驗室，西安 710043；2.中國西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043；3.上海航天測控通信研究所，上海 201109)

0 引言

航天測控裝備主要擔負著各類航天器進出空間的測控任務和空間操控管理任務，隨著航天技術(shù)發(fā)展及新型裝備研制部署應用，航天裝備試驗鑒定對試驗條件的要求也不斷提高[1-2]。航天測控天線的準確標校是獲得高精度測量數(shù)據(jù)的基礎，也是實驗鑒定工作的重要組成部分。在航天任務中，按設備場區(qū)有無配置標校塔，可分為兩類標校方法：有塔標校和無塔標校。有塔標校是指利用經(jīng)過精確大地測量的標校塔進行標校，通過在標校塔上架設標校設備，測控設備天線對準塔上標校設備的方式進行標校。這種方式可操作性強，普遍用于航天測控設備。受制于工程基建建設，有塔標校即使能夠滿足遠場條件，但一般仰角較低，容易受到周邊環(huán)境的干擾，造成標校誤差。無塔標校是指不利用標校塔即可完成設備標校的各類方法，如采用在天線副面架設標校設備、放標定球、指向或衛(wèi)星等方式實現(xiàn)無塔標校。這些方法存在很大局限性，可推廣性不強，迫切需要研究新的無塔標校方法[3-6]。

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機利用搭載小型化測控、通信、雷達、光電等模擬設備和小型化RTK設備，構(gòu)造外部標校環(huán)境，配合地面測控設備進行標校及性能鑒定[7-9]。采用該方法對測控天線進行性能鑒定，測控設備與標校設備之間的空間距離可靈活構(gòu)設，測控設備天線仰角較有塔標校角度更高，能夠取得較為優(yōu)良的標校條件，不易受到周邊地形影響，能夠取得理想的標校結(jié)果。

本文提出了基于無人機平臺的測控天線試驗鑒定方法，設計了試驗鑒定評估系統(tǒng)，并對定位精度進行了分析，驗證了無人機平臺在測控天線試驗鑒定和標校測試中的可行性。

1 地基裝備試驗鑒定評估系統(tǒng)組成

試驗鑒定評估系統(tǒng)在裝備試驗與定型中具有重要作用?，F(xiàn)階段，航天測控領域?qū)y控裝備的試驗鑒定能力比較薄弱、新技術(shù)應用綜合評估能力不足，因此需要開展地基測控裝備試驗鑒定評估系統(tǒng)建設。試驗鑒定評估系統(tǒng)作為考核、演練和評估手段，通過對裝備研制過程中各類試驗數(shù)據(jù)進行收集、分析和整理，在接近實戰(zhàn)條件下對新研的測運控裝備進行試驗，檢驗裝備的各種性能指標，以促進裝備定型。

試驗鑒定評估系統(tǒng)由試驗鑒定與指控中心、機動鑒定單元、試驗鑒定數(shù)據(jù)處理中心、無人機平臺、北斗精度鑒定系統(tǒng)、各類配套保障設備等，系統(tǒng)組成如圖1所示。

機動鑒定單元采用單車機動運輸方式，無人機、地面各分系統(tǒng)及配套保障設備裝載于方艙，機動鑒定單元按照“單架無人直升機+2架多旋翼無人機”的配置模式，工作時應答機、干擾機等有效載荷根據(jù)任務需加載到無人直升機或多旋翼無人機。

圖1 試驗鑒定評估系統(tǒng)組成圖

試驗鑒定數(shù)據(jù)處理中心利用精度鑒定系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，計算設備測量精度，具體工作包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和質(zhì)量評估、核心產(chǎn)品生成、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)發(fā)布，對天地基裝備提供鑒定評估服務。

北斗精度鑒定系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理中心、基準站和動態(tài)點組成[10-11]。數(shù)據(jù)處理中心完成測控設備精度鑒定工作的組織和調(diào)度，負責鑒定數(shù)據(jù)的收集，并利用北斗導航數(shù)據(jù)完成對待鑒定設備的數(shù)據(jù)處理和分析，給出鑒定結(jié)論；位于全國各地的基準站組成基準網(wǎng)，經(jīng)網(wǎng)整體平差處理，精確測定各基準點的三維坐標；動態(tài)點裝置于無人機上，配置北斗/GNSS接收機。

2 基于無人機平臺的試驗鑒定系統(tǒng)組成

無人機載試驗系統(tǒng)包括無人機平臺分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)、地面飛行控制分系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、測試平臺分系統(tǒng)、載車方艙分系統(tǒng)、各類配套保障設備等。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 無人機載試驗鑒定系統(tǒng)組成圖

工作時，有效載荷根據(jù)任務需要靈活加載到無人直升機或多旋翼無人機。撤收時，無人機、地面各相關(guān)分系統(tǒng)及配套保障設備裝載于方艙，采用單車機動運輸。無人直升機和多旋翼無人機數(shù)據(jù)鏈路各自獨立控制。根據(jù)選用的平臺不同，可構(gòu)成無人直升機載試驗系統(tǒng)、多旋翼無人機載試驗系統(tǒng)等。

地面數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)包括兩套差分GPS/北斗地面基準站、數(shù)據(jù)記錄設備和數(shù)據(jù)處理軟件。標校時，對標校數(shù)據(jù)進行處理，給出標定結(jié)果。校飛時，通過差分北斗/GNSS接收機實時測量無人機平臺精確位置，并將載荷信息通過數(shù)據(jù)鏈路實時傳到地面。地面數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)對待鑒定設備校飛數(shù)據(jù)進行處理，給出雷達、光學、微波統(tǒng)一系統(tǒng)裝備的鑒定結(jié)果。

由于場區(qū)內(nèi)存在多個頻段的測控設備[12-13]，且校飛等試驗需要無人機能夠提供30分鐘以上的定點懸停時間，為高效開展測控天線試驗鑒定工作，本項目主用載重量大、續(xù)航時間長的無人直升機。并根據(jù)試驗場景需求，設計優(yōu)化了測控載荷組合模式，包括S頻段應答機、C/X/Ka頻段應答機、C頻段脈沖應答機、1臺北斗接收終端設備等部分組成。無人機執(zhí)行組合狀態(tài)工作模式時，設備通過安裝件集中安裝到前任務艙和中任務艙，天線通過支架吊裝在無人直升機下方，總體布局如圖3所示。

圖3 無人機組合狀態(tài)工作模式搭載示意圖

3 差分北斗接收機相對定位精度分析

試驗鑒定系統(tǒng)由直升機搭載北斗接收設備，如圖4所示，和地面北斗基準站配合獲得高精度的無人機位置信息，即比較標準系統(tǒng)[14]。同時對該比較標準的測量數(shù)據(jù)，應用數(shù)學方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到高精度的比較標準，地面測控天線和飛機搭載的各載荷設備配合獲得無人機位置信息，即被鑒定系統(tǒng)。將被鑒定系統(tǒng)和比較標準系統(tǒng)，對測量目標的同一采樣時刻直接測量數(shù)據(jù)作差得到差分序列，經(jīng)處理統(tǒng)計分析，得到被鑒定系統(tǒng)的誤差統(tǒng)計量和測量精度。

圖4 基于北斗導航的多基線測量精度鑒定方法

理想情況下標準比對與被鑒定系統(tǒng)測量精度兩者均方差之比σ標準比對/σ被檢定標準≤1/10。但在工程實踐中，特別是鑒定高精度連續(xù)波測量系統(tǒng)精度時，該指標難以實現(xiàn)。因此，試驗場在評定外測系統(tǒng)測量精度時，一般要求≤1/3。

3.1 距離精度

距離精度由RTK定位平面精度和高程精度、差分基站位置平面精度和高程精度、測控天線坐標系轉(zhuǎn)換誤差值構(gòu)成。距離精度按下式計算：

(1)

式中σrange為測控天線坐標原點到無人機之間距離精度，σ1、σ2、σ3、σ4、σ5分別為RTK平面精度取±25mm(10-20km基線)、±15mm(5-10km基線)、±10mm(1-5km基線)，RTK高程精度取±50mm(10-20km基線)、±30mm(5-10km基線)、±20mm(1-5km基線)，差分基站平面精度取±2.5mm，差分基站高程精度取±5mm，天線坐標系轉(zhuǎn)換到84坐標系誤差取±4mm。計算可得無人機到測控天線坐標原點的距離精度為±56mm(10km基線)、±35mm(5km基線)、±24mm(1km基線精度)。

按被鑒定標準與標準比對取1/3即σ標準比對/σ被鑒定標準≤1/3，可滿足測控天線測距精度大于±0.17m的要求。

3.2 角度精度

角度精度由RTK定位平面精度和高程精度、差分基站位置平面精度和高程精度、測控天線坐標系轉(zhuǎn)換誤差、無人機到測控天線坐標原點基線長度值構(gòu)成。角度精度可按下式計算：

(2)

式中L為無人機到測控天線坐標原點基線。計算可得角度精度分別為±11.56″、±2.3″、±1.16″。

對于測控天線波束寬度(3dB)為0.1°情況，單脈沖測角體制測角精度按1/10波束寬度計算，測控站測角精度為±0.01°，再按被鑒定標準與標準比對取1/3，需要作為標準比對的角度測量精度小于±12″，當無人機到測控天線坐標原點基線長度為1km時角度精度為±11.56″，就可滿足測角精度鑒定要求，更長的基線則角度精度更高。

3.3 速度精度

速度精度由北斗授時精度、RTK定位平面精度和高程精度、測控天線坐標系轉(zhuǎn)換誤差構(gòu)成。速度精度按下式計算：

(3)

式中σvelocity為測控天線坐標原點到無人機之間速度精度，σt、σ1、σ2、σ3分別為授時精度±20ns，RTK平面精度取±10mm+1ppm，RTK高程精度取±20mm+1ppm，天線坐標系轉(zhuǎn)換到84坐標系誤差取±4mm。計算可得速度精度±24mm/s，與無人直升機25-35m/s運動情況下，機上RTK速度精度±0.03m/s比較接近，可滿足測控天線測速精度要求。

3.4 誤差分析

采用無人機搭載測控載荷進行天線標校的方法也將引入新的誤差，主要是飛行姿態(tài)變化和機載載荷天線與北斗差分天線位置不一致引起的誤差。北斗差分天線布設在無人機頂端，而測控載荷天線設置正下方的機腹位置、飛機慣導配置在飛機質(zhì)心，設計階段對差分天線與載荷天線、質(zhì)心處慣導位置誤差進行了精確測量，在數(shù)據(jù)處理過程中扣除該距離引起的誤差，但最終還會因為飛機姿態(tài)及抖動引起厘米級的誤差。為減少無人機姿態(tài)變化引起的誤差，本項目為測控載荷設計了全向收發(fā)天線，同時地面設備在無人機爬升、轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)下不跟蹤載荷，僅在無人機平飛或懸停狀態(tài)下進行試驗，盡量減小無人機姿態(tài)變化引入的誤差。此外，受天氣影響(風、雪等)，無人機姿態(tài)變化較大，影響標校天線位置穩(wěn)定性，接收信號電平幅度不穩(wěn)定，進而影響標校結(jié)果。

盡管無人機搭載載荷的標校方法引入新的誤差，但無人機平臺作為可移動的“標校塔”，可以靈活地構(gòu)造外部標校環(huán)境，不受地理條件限制，在新型航天測控裝備的標校測試中存在工程應用前景。無人機測試方法、標校塔、衛(wèi)星標校等三種標校方案的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 天線標校方法優(yōu)缺點對比

4 數(shù)據(jù)處理流程

精度鑒定數(shù)據(jù)處理流程是以北斗差分接收機定位結(jié)果為標準，通過與測量設備測量結(jié)果的比對、統(tǒng)計檢驗，鑒定測量設備的性能和精度，分離并確定其系統(tǒng)誤差和隨機誤差，研究并掌握其誤差變化規(guī)律，如圖5所示。具體工作步驟如下：

l)差分北斗接收機相對定位精度評定。

2)數(shù)據(jù)時間對齊。將差分北斗接收機定位時間與測量設備測量時間對齊，并采用統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。

3)坐標轉(zhuǎn)換。將差分北斗接收機采用WGS-84坐標系測量計算結(jié)果，轉(zhuǎn)換為測控設備裝訂的大地坐標系測量數(shù)據(jù)。

4)差分北斗接收機結(jié)果與測量設備結(jié)果比對、作差，求出各觀測時刻的差值，剔除粗差。

5)計算測量設備的總誤差。

6)計算測量設備的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，確定測量設備誤差變化的規(guī)律。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

5 結(jié)論

本文探討了基于無人機平臺的測控設備試驗鑒定系統(tǒng)的組成，工作模式及鑒定方法，并分析了試驗精度。該方法為航天測控天線試驗鑒定的實現(xiàn)提供了新思路，無人機平臺作為可移動的標校塔及鑒定平臺，可以靈活地構(gòu)造外部試驗環(huán)境，不受地理條件限制。因此，它在大口徑航天測控天線的試驗鑒定鄰域具有應用前景。