RTK在機動式脈沖雷達(dá)尋北定向中的應(yīng)用?

（91913部隊 大連 116041）

1 引言

在新型號武器系統(tǒng)試驗的跟蹤測量過程中，單脈沖跟蹤測量雷達(dá)應(yīng)該滿足跨區(qū)域、全天候、快速機動、聯(lián)合測量要求。按照精密測量雷達(dá)精度要求，雷達(dá)進(jìn)入陣地后先要進(jìn)行尋北定向。目前，地面雷達(dá)尋北定向通常采用望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀等儀器的光學(xué)測量法［1～2］，即方位標(biāo)法，盡管測量精度高，但嚴(yán)重限制機動部署，增加保障難度。一是必須事先在場坪周圍架設(shè)方位標(biāo)設(shè)施，且有精確的大地測量成果，增加了額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本；二是方位標(biāo)的選址、測量及建設(shè)受地理環(huán)境影響很大，試驗航區(qū)所要求部署陣地基本在偏僻海邊或山區(qū)，無合適方位標(biāo)架設(shè)點；三是觀察方位標(biāo)時受光線、大氣擾動等環(huán)境因素的影響，尤其是在夜間、雨霧天氣中甚至無法觀察。

針對當(dāng)前單脈沖跟蹤測量雷達(dá)尋北定向過程中所存在的不足，本文采用全球定位系統(tǒng)實時載波相位差分技術(shù)（RTK），通過分別架設(shè)基準(zhǔn)站和移動站的兩個GPS/BD天線，獲得以兩個GPS/BD天線連線為基線的偏北角，完成雷達(dá)快速尋北定向，滿足單脈沖跟蹤測量雷達(dá)跨區(qū)域、快速機動部署和聯(lián)合參試的需求。

2 機動式脈沖雷達(dá)尋北定向需求

在靶場測控系統(tǒng)中，為獲得高精度的測量數(shù)據(jù)，在執(zhí)行跟蹤測量任務(wù)前后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校，獲得雷達(dá)軸系誤差、定向靈敏度、方位零值、俯仰零值、距離零值的系統(tǒng)修正數(shù)據(jù)，雷達(dá)系統(tǒng)會根據(jù)標(biāo)校得到的各項誤差數(shù)據(jù)，對雷達(dá)系統(tǒng)的外測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時和事后修正。脈沖雷達(dá)事后數(shù)據(jù)處理方法中［3～5］明確的系統(tǒng)誤差標(biāo)定與校正如式（1）所示：

式中各參數(shù)具體含義見表1。

表1 脈沖測量雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)誤差標(biāo)定與校正公式參數(shù)定義

對于機動式單脈沖跟蹤測量雷達(dá)裝備，在需要緊急執(zhí)行測量任務(wù)或其它聯(lián)合測量任務(wù)情況下，臨時指定陣地往往不具備預(yù)埋基礎(chǔ)和周邊方位標(biāo)架設(shè)，因此在無方位標(biāo)條件下應(yīng)具備跟蹤測量任務(wù)的能力，滿足跟蹤數(shù)據(jù)精度要求，必須在任務(wù)前準(zhǔn)確進(jìn)行尋北定向，使方位零值誤差達(dá)到最小。

3 基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向原理

3.1 原理概述

基于RTK實時相對定位技術(shù)GPS/BD雙天線定向原理采用偽距差分和RTK相結(jié)合的組合定位方法，以兩個天線的相位中心為基線，GNSS接收機實時測得相對于基點的載波相位及位碼相位、偽距等原始測量，饋送到定向處理單元，主站（基準(zhǔn)）定位處理單元同時實時接收子站（移動站）轉(zhuǎn)發(fā)的測量信息，綜合運用偽距差分和RTK兩種方法，獲得高精度的相對定位原始結(jié)果，此結(jié)果經(jīng)過濾波處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后輸出給顯示系統(tǒng)，同時處理器中定向算法通過利用接收機發(fā)過來的信息及根據(jù)衛(wèi)星接收天線間距離不變的條件求解兩點連線與真北的夾角。實時定位原理如圖1所示。

圖1 RTK實時相對定位原理

3.2 定位解算數(shù)學(xué)模型

GPS/BD定位誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差；電離層效應(yīng)、對流層效應(yīng)和多路徑效應(yīng)影響；接收機的噪聲誤差、時間延遲等［6］。RTK實時相對定位技術(shù)GPS/BD雙天線定向主要利用兩點GPS/BD定位的空間相關(guān)性，通過差分技術(shù)來抵消掉公共誤差部分，提高GPS的定位準(zhǔn)確度，從而提高定向準(zhǔn)確度［7～8］。

利用GPS進(jìn)行高精度測量采用載波相位形成雙差方程，這樣可以消去電離層、對流層、接收機鐘差等對參數(shù)的影響，方便數(shù)據(jù)處理。雙差方程數(shù)學(xué)模型如式（2）所示：

式中，(Xi，Yi，Zi)為衛(wèi)星i的位置，根據(jù)導(dǎo)航電文進(jìn)行解算；(Xj，Yj，Zj)為衛(wèi)星j的位置，也根據(jù)導(dǎo)航電文進(jìn)行解算；(Xb，Yb，Zb)為主站（基準(zhǔn)站）的位置，測量定位解算；(Xm，Ym，Zm)為子站的位置，測量定位解算。其中主（基準(zhǔn)）天線和子天線坐標(biāo)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)天線和子天線坐標(biāo)關(guān)系

主站（基準(zhǔn)站）和子站通過解算出準(zhǔn)確位置后，子站相對主站（基準(zhǔn)站）在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)差為如式（7）所示：

然后計算出在主站（基準(zhǔn)站）站心坐標(biāo)下的坐標(biāo)差數(shù)學(xué)模型，如式（8）所示：

式中B，L為主站（基準(zhǔn)站）的經(jīng)緯度位置。由式（6）可以計算方位角，即A0=θ，如式（9）所示：

4 基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向方法

RTK技術(shù)作為GPS系統(tǒng)中高效定位方法之一，在各種測量領(lǐng)域中有著無比的優(yōu)越性［9～10］，動態(tài)實時測量，工作效率高；定位精度高，沒有誤差積累；自動化作業(yè)、可全天候工作［11～12］。本文將單脈沖測量雷達(dá)CCD標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡與GPS/BD天線有效結(jié)合，借助CCD標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡的視場手段，直接對光軸方向進(jìn)行尋北定向，就是讓天線緩慢旋轉(zhuǎn)使天線望遠(yuǎn)鏡和GPS雙天線的基線在同一直線上來確定偏北的方向。方法實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 尋北定向操作流程圖

1）雷達(dá)天線車展開、不水平度調(diào)整

雷達(dá)進(jìn)入指定陣地，天線車拆掉運輸保護(hù)裝置并將前部手動支腿落地，半掛車和牽引車分離，按照天線車展開程序完成天線車落座（有預(yù)埋地基座）和不落座（無預(yù)埋地基座）工作狀態(tài)。利用電子水平儀完成天線座大盤不水平度的測量與調(diào)整，若測得的天線座大盤水平度誤差最大值大于20″，通過在天線基座與預(yù)埋基座間加墊片（天線車落地展開）或調(diào)整天線車的調(diào)平支腿（天線車不落地展開）對天線座大盤水平度進(jìn)行調(diào)整，然后再重新測量天線座大盤水平度，直至滿足要求。

2）GPS/BD尋北定向設(shè)備安裝、雙天線定位

在距離位于雷達(dá)天線約50m～100m處（視場地情況而定）架設(shè)定向設(shè)備，場地空曠、平坦、無遮擋，主要包括定向設(shè)備供電線纜連接、基準(zhǔn)天線和移動天線連接。

雷達(dá)CCD標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡加電，伺服加電并轉(zhuǎn)動天線，保證天線俯仰未處于限位角度，通過監(jiān)視器觀察架設(shè)GPS天線。首先確定基準(zhǔn)GPS天線的位置，轉(zhuǎn)動基準(zhǔn)GPS天線使其在監(jiān)視器的CCD望遠(yuǎn)鏡視頻畫面十字線中心位置，并鎖定雷達(dá)伺服方位電機；其次確定移動站GPS天線的位置遠(yuǎn)離雷達(dá)天線方向上移動站GPS天線的位置，基線長度根據(jù)線纜長度確認(rèn)，調(diào)整雷達(dá)天線俯仰角度，使其在監(jiān)視器的CCD望遠(yuǎn)鏡視頻畫面十字線中心位置，并鎖定雷達(dá)伺服俯仰電機，保證了雷達(dá)光軸和GPS雙天線的基線在同一條直線上，記錄當(dāng)前天線方位的碼盤角度值A(chǔ)。尋北定向設(shè)備布局如圖4所示。

圖4 尋北定向設(shè)備布置圖

3）GPS/BD基線偏北角測量、顯示

GPS/BD雙天線定向設(shè)備加電開機，基準(zhǔn)站、移動站自動完成搜索空域衛(wèi)星，定位定向主機根據(jù)搜星的信息，解算出空間位置定位信息和載波相位關(guān)系，從而解算出雙天線基線的指向角度，即偏北角，送給顯示處理模塊，在顯示屏顯示出定位信息（經(jīng)度、緯度和高程）和偏北角θ。

4）方位零值解算、修正

CCD望遠(yuǎn)鏡、基準(zhǔn)站天線和移動站天線三點在一條直線上，GPS/BD雙天線基線偏北指向就是雷達(dá)光軸指向，如圖5所示，雷達(dá)電軸與光軸為平行關(guān)系，GPS/BD雙天線基線偏北指向為雷達(dá)方位偏北指向，所以方位零值修正公式為A0=A+θ，在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用軟件零值修正分項中輸入方位零值修正值為A0。

5 基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向的驗證

利用我部某陣地的現(xiàn)有條件，采用GPS/BD雙天線定向的方法進(jìn)行方位零值修正，然后通過方位標(biāo)法與已知的6個方位標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校比對，驗證基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向的精度，方位標(biāo)數(shù)據(jù)為精確的大地測量成果。

1）GPS/BD雙天線定向角測量

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小隨機誤差，GPS/BD定向天線采用50m基線長度，獲得20組定向角數(shù)據(jù)見表2。

表2 定向角實測數(shù)據(jù)

表2中采集定向角數(shù)據(jù)求平均值為A0=35.5865°，雷達(dá)方位零值修正后的結(jié)果為當(dāng)前方位碼盤值與尋北定向角A0相加，通過雷達(dá)標(biāo)校分系統(tǒng)軟件中完成方位零值修正，即完成尋北定向。

2）尋北定向精度驗證

為驗證尋北定向準(zhǔn)確定，采用方位標(biāo)法分別與測控站點已知6個方位標(biāo)進(jìn)行方位零值標(biāo)校，共完成3輪標(biāo)校，記錄18組數(shù)據(jù)，見表3。

表3 方位標(biāo)對標(biāo)測量數(shù)據(jù)

運用基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向方法進(jìn)行方位零值修正后，經(jīng)比對方位標(biāo)標(biāo)校結(jié)果可知，該方法完全滿足單脈沖跟蹤測量雷達(dá)應(yīng)急狀態(tài)下的測量跟蹤要求。

6 結(jié)語

本文采用基于RTK技術(shù)GPS/BD雙天線定向方法，獲得天線測量系真北值的零值，通過這一有效途徑，便可實現(xiàn)對機動式單脈沖跟蹤測量雷達(dá)進(jìn)行快速尋北定向，滿足應(yīng)急標(biāo)校要求，該方法已在我部某型單脈沖雷達(dá)產(chǎn)品的中已經(jīng)得到實際應(yīng)用，出色完成多型跟蹤測量任務(wù)。這種方法操作簡單，自動測量和解算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，基線降低對操作手的專業(yè)技術(shù)要求，提高參試效率。隨著跨區(qū)域、全天候、快機動測量任務(wù)發(fā)展，測控陣地的臨時部署隨機性大，陣地地理環(huán)境偏僻復(fù)雜，在不利于架設(shè)方位標(biāo)的情況下，該方法更能發(fā)揮作用，而且不僅可用于同型單脈沖跟蹤測量雷達(dá)裝備中，也可以在靶場其他測控裝備上推廣應(yīng)用。