基于無人機(jī)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(xué)國家重點(diǎn)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(dān)負(fù)著各類航天器進(jìn)出空間的測控任務(wù)和空間操控管理任務(wù)，隨著航天技術(shù)發(fā)展及新型裝備研制部署應(yīng)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(zhǔn)確標(biāo)校是獲得高精度測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，也是實驗鑒定工作的重要組成部分。在航天任務(wù)中，按設(shè)備場區(qū)有無配置標(biāo)校塔，可分為兩類標(biāo)校方法：有塔標(biāo)校和無塔標(biāo)校。有塔標(biāo)校是指利用經(jīng)過精確大地測量的標(biāo)校塔進(jìn)行標(biāo)校，通過在標(biāo)校塔上架設(shè)標(biāo)校設(shè)備，測控設(shè)備天線對準(zhǔn)塔上標(biāo)校設(shè)備的方式進(jìn)行標(biāo)校。這種方式可操作性強(qiáng)，普遍用于航天測控設(shè)備。受制于工程基建建設(shè)，有塔標(biāo)校即使能夠滿足遠(yuǎn)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(biāo)校誤差。無塔標(biāo)校是指不利用標(biāo)校塔即可完成設(shè)備標(biāo)校的各類方法，如采用在天線副面架設(shè)標(biāo)校設(shè)備、放標(biāo)定球、指向或衛(wèi)星等方式實現(xiàn)無塔標(biāo)校。這些方法存在很大局限性，可推廣性不強(qiáng)，迫切需要研究新的無塔標(biāo)校方法[3-6]。

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

本文提出了基于無人機(jī)平臺的測控天線試驗鑒定方法，設(shè)計了試驗鑒定評估系統(tǒng)，并對定位精度進(jìn)行了分析，驗證了無人機(jī)平臺在測控天線試驗鑒定和標(biāo)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(lǐng)域?qū)y控裝備的試驗鑒定能力比較薄弱、新技術(shù)應(yīng)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(shè)。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(jìn)行收集、分析和整理，在接近實戰(zhàn)條件下對新研的測運(yùn)控裝備進(jìn)行試驗，檢驗裝備的各種性能指標(biāo)，以促進(jìn)裝備定型。

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

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

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(shè)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(wù)。

北斗精度鑒定系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理中心、基準(zhǔn)站和動態(tài)點(diǎn)組成[10-11]。數(shù)據(jù)處理中心完成測控設(shè)備精度鑒定工作的組織和調(diào)度，負(fù)責(zé)鑒定數(shù)據(jù)的收集，并利用北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)完成對待鑒定設(shè)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(zhǔn)站組成基準(zhǔn)網(wǎng)，經(jīng)網(wǎng)整體平差處理，精確測定各基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；動態(tài)點(diǎn)裝置于無人機(jī)上，配置北斗/GNSS接收機(jī)。

2 基于無人機(jī)平臺的試驗鑒定系統(tǒng)組成

無人機(jī)載試驗系統(tǒng)包括無人機(jī)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(shè)備等。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 無人機(jī)載試驗鑒定系統(tǒng)組成圖

工作時，有效載荷根據(jù)任務(wù)需要靈活加載到無人直升機(jī)或多旋翼無人機(jī)。撤收時，無人機(jī)、地面各相關(guān)分系統(tǒng)及配套保障設(shè)備裝載于方艙，采用單車機(jī)動運(yùn)輸。無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路各自獨(dú)立控制。根據(jù)選用的平臺不同，可構(gòu)成無人直升機(jī)載試驗系統(tǒng)、多旋翼無人機(jī)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(zhǔn)站、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件。標(biāo)校時，對標(biāo)校數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出標(biāo)定結(jié)果。校飛時，通過差分北斗/GNSS接收機(jī)實時測量無人機(jī)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(shè)備校飛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出雷達(dá)、光學(xué)、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(shè)備[12-13]，且校飛等試驗需要無人機(jī)能夠提供30分鐘以上的定點(diǎn)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(jī)。并根據(jù)試驗場景需求，設(shè)計優(yōu)化了測控載荷組合模式，包括S頻段應(yīng)答機(jī)、C/X/Ka頻段應(yīng)答機(jī)、C頻段脈沖應(yīng)答機(jī)、1臺北斗接收終端設(shè)備等部分組成。無人機(jī)執(zhí)行組合狀態(tài)工作模式時，設(shè)備通過安裝件集中安裝到前任務(wù)艙和中任務(wù)艙，天線通過支架吊裝在無人直升機(jī)下方，總體布局如圖3所示。

圖3 無人機(jī)組合狀態(tài)工作模式搭載示意圖

3 差分北斗接收機(jī)相對定位精度分析

試驗鑒定系統(tǒng)由直升機(jī)搭載北斗接收設(shè)備，如圖4所示，和地面北斗基準(zhǔn)站配合獲得高精度的無人機(jī)位置信息，即比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)[14]。同時對該比較標(biāo)準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到高精度的比較標(biāo)準(zhǔn)，地面測控天線和飛機(jī)搭載的各載荷設(shè)備配合獲得無人機(jī)位置信息，即被鑒定系統(tǒng)。將被鑒定系統(tǒng)和比較標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，對測量目標(biāo)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(dǎo)航的多基線測量精度鑒定方法

理想情況下標(biāo)準(zhǔn)比對與被鑒定系統(tǒng)測量精度兩者均方差之比σ標(biāo)準(zhǔn)比對/σ被檢定標(biāo)準(zhǔn)≤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(biāo)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(biāo)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(biāo)原點(diǎn)到無人機(jī)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(biāo)系轉(zhuǎn)換到84坐標(biāo)系誤差取±4mm。計算可得無人機(jī)到測控天線坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)比對取1/3即σ標(biāo)準(zhǔn)比對/σ被鑒定標(biāo)準(zhǔn)≤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(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差、無人機(jī)到測控天線坐標(biāo)原點(diǎn)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(jī)到測控天線坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)比對取1/3，需要作為標(biāo)準(zhǔn)比對的角度測量精度小于±12″，當(dāng)無人機(jī)到測控天線坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)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(biāo)原點(diǎn)到無人機(jī)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(biāo)系轉(zhuǎn)換到84坐標(biāo)系誤差取±4mm。計算可得速度精度±24mm/s，與無人直升機(jī)25-35m/s運(yùn)動情況下，機(jī)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(jī)搭載測控載荷進(jìn)行天線標(biāo)校的方法也將引入新的誤差，主要是飛行姿態(tài)變化和機(jī)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(shè)在無人機(jī)頂端，而測控載荷天線設(shè)置正下方的機(jī)腹位置、飛機(jī)慣導(dǎo)配置在飛機(jī)質(zhì)心，設(shè)計階段對差分天線與載荷天線、質(zhì)心處慣導(dǎo)位置誤差進(jìn)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(jī)姿態(tài)及抖動引起厘米級的誤差。為減少無人機(jī)姿態(tài)變化引起的誤差，本項目為測控載荷設(shè)計了全向收發(fā)天線，同時地面設(shè)備在無人機(jī)爬升、轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)下不跟蹤載荷，僅在無人機(jī)平飛或懸停狀態(tài)下進(jìn)行試驗，盡量減小無人機(jī)姿態(tài)變化引入的誤差。此外，受天氣影響(風(fēng)、雪等)，無人機(jī)姿態(tài)變化較大，影響標(biāo)校天線位置穩(wěn)定性，接收信號電平幅度不穩(wěn)定，進(jìn)而影響標(biāo)校結(jié)果。

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

表1 天線標(biāo)校方法優(yōu)缺點(diǎn)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(jī)定位結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，通過與測量設(shè)備測量結(jié)果的比對、統(tǒng)計檢驗，鑒定測量設(shè)備的性能和精度，分離并確定其系統(tǒng)誤差和隨機(jī)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(jī)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(jī)定位時間與測量設(shè)備測量時間對齊，并采用統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。

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

4)差分北斗接收機(jī)結(jié)果與測量設(shè)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(shè)備的總誤差。

6)計算測量設(shè)備的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，確定測量設(shè)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(jī)平臺的測控設(shè)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(jī)平臺作為可移動的標(biāo)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(yīng)用前景。