基于機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件的光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)量精度評(píng)定方法

穆高超，錢禮華，黨 峰，邱 純，李云超

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

光電經(jīng)緯儀是靶場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試中重要的測(cè)量設(shè)備，對(duì)彈箭飛行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)時(shí)記錄其飛行圖像，通過圖像判讀完成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在光電經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角的測(cè)量，事后交會(huì)處理得到目標(biāo)的空間坐標(biāo)、飛行速度等外彈道參數(shù)。測(cè)角精度的高低，直接決定外彈道參數(shù)的測(cè)量精度。

當(dāng)前，光電經(jīng)緯儀設(shè)備研制單位對(duì)光電經(jīng)緯儀具備一定出廠檢測(cè)能力，但設(shè)備返廠校準(zhǔn)方式存在多方面問題：一是設(shè)備組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精密、造價(jià)昂貴、運(yùn)輸困難，遠(yuǎn)距離顛簸運(yùn)輸增大了失準(zhǔn)、損壞的可能性；二是送檢周期長(zhǎng)，定期校準(zhǔn)困難，影響武器裝備科研生產(chǎn)進(jìn)度。受此局限，目前光電經(jīng)緯儀現(xiàn)場(chǎng)條件下一般采用星校方式對(duì)處于工作狀態(tài)的光電經(jīng)緯儀進(jìn)行校準(zhǔn)，這種方式可對(duì)光電經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角總精度和系統(tǒng)功能進(jìn)行總體評(píng)估，存在的主要問題是：由于星體紅外輻射微弱致紅外測(cè)量頭難以成像，使得紅外測(cè)量頭無法得到校準(zhǔn)，僅能對(duì)可見光測(cè)量頭進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)星體觀測(cè)的角速度較低，與設(shè)備實(shí)際工況差異大。所以該方法也難以系統(tǒng)全面地完成對(duì)光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角精度進(jìn)行校準(zhǔn)。

因此，如何在靶場(chǎng)條件下對(duì)光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角精度進(jìn)行評(píng)定，確保光電經(jīng)緯儀提供的外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)精度，是當(dāng)前靶場(chǎng)亟待解決的問題。針對(duì)這一難題，提出利用無人機(jī)搭載GPS/INS測(cè)量組件測(cè)量的高精度動(dòng)態(tài)時(shí)空位置信息，采用數(shù)據(jù)差值分析完成光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的具體校準(zhǔn)方法。

1 基于無人機(jī)平臺(tái)的光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)量精度評(píng)定原理

利用無人機(jī)作為空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，無人機(jī)通過機(jī)載吊艙攜帶GPS/INS測(cè)量組件和光電合作目標(biāo)按照規(guī)劃航路飛行，GPS/INS組件實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄其空間位置坐標(biāo)和無人機(jī)姿態(tài)，經(jīng)GPS差分處理和姿態(tài)數(shù)據(jù)位置修正得到合作目標(biāo)定位數(shù)據(jù)；光電經(jīng)緯儀同步跟蹤無人機(jī)機(jī)載光電合作目標(biāo)，測(cè)量其指向合作目標(biāo)方位角和俯仰角；通過吊艙通信鏈路，將差分GPS定位數(shù)據(jù)下傳至數(shù)據(jù)處理地面站；通過數(shù)據(jù)處理地面站按時(shí)間同步要求將差分GPS定位數(shù)據(jù)換算為光電經(jīng)緯儀指向無人機(jī)光電合作目標(biāo)的方位角、俯仰角值，將其作為標(biāo)準(zhǔn)值與光電經(jīng)緯儀的測(cè)量值進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì)分析，得到光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角誤差。評(píng)定原理如圖1所示。

圖1 基于無人機(jī)平臺(tái)的光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角精度評(píng)定方法原理框圖

2 無人機(jī)校準(zhǔn)系統(tǒng)

無人機(jī)校準(zhǔn)系統(tǒng)是為被鑒定光電經(jīng)緯儀提供基準(zhǔn)值和合作目標(biāo)的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件、光電合作目標(biāo)、數(shù)據(jù)處理地面站組成。

2.1 機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件

機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件主要由GPS/INS定位定向測(cè)姿分系統(tǒng)、無線通信組合、光源控制組合組成。

2.1.1 GPS/INS定位定向測(cè)姿分系統(tǒng)

GPS/INS定位定向測(cè)姿分系統(tǒng)由吊艙GPS/INS定位定向測(cè)姿裝置(移動(dòng)站)和地面GPS基準(zhǔn)站組成。通過GPS載波相位差分技術(shù)和雙頻快速解整周模糊度技術(shù)精確求解載體的位置、時(shí)間和航向角，結(jié)合慣性測(cè)量單元獲得空中吊艙高精度的航向、滾轉(zhuǎn)、俯仰等信息，可對(duì)合作目標(biāo)光源由于吊艙姿態(tài)變化造成的偏差進(jìn)行修正。

吊艙GPS/INS定位定向測(cè)姿裝置主要由GPS/INS定位定向測(cè)姿組合、雙頻GPS天線、無線通信電臺(tái)、空載無線通信天線組成。地面GPS基準(zhǔn)站由GPS基準(zhǔn)站(基站)、雙頻GPS天線、無線通信電臺(tái)、無線通信天線組成。其原理框圖如圖2所示。

圖2 GPS/INS定位定向測(cè)姿分系統(tǒng)原理框圖

2.1.2 無線通信組合

無線電通信分系統(tǒng)完成空中與地面載波相位差分所需信息的高速實(shí)時(shí)傳遞，主要考慮數(shù)據(jù)的傳輸距離和傳輸速率滿足RTK(real-time kinematic)通信要求,經(jīng)計(jì)算需要其無線傳輸速率為19.2 kbit/s，端口傳輸速率為38.4 kbit/s。天線選用機(jī)載型專用天線，可以有效地降低風(fēng)阻。

2.1.3 光源控制組合

光源控制組合是光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的主要組成設(shè)備。在光源、光源控制組合、GPS/INS測(cè)量裝置等共同參與下完成單臺(tái)或多臺(tái)光電經(jīng)緯儀的測(cè)角動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

光源控制組合完成光源閃光時(shí)刻的準(zhǔn)確控制，閃光控制組合主要包括控制電路和充電電路，如圖3所示。

圖3 光源控制組合組成原理框圖

2.2 光電合作目標(biāo)

光源即光電合作目標(biāo)，光源為地面測(cè)量設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試目標(biāo)，光源選用高流明的專業(yè)全光光源，具有足夠的大氣穿透性，能夠在校飛范圍內(nèi)被光電經(jīng)緯儀識(shí)別并準(zhǔn)確捕獲。無人機(jī)上共安裝兩個(gè)光源，在進(jìn)行脫靶量校準(zhǔn)時(shí)，兩光源之間的距離作為標(biāo)準(zhǔn)距離。進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)角精度校準(zhǔn)時(shí)，只采用其中的一個(gè)光源，其時(shí)間統(tǒng)一為UTC(universal time coordinated)。為確保光電經(jīng)緯儀全程校準(zhǔn)過程能觀測(cè)到光源，必須將其安裝在吊艙底部凸出部位。

2.3 數(shù)據(jù)處理地面站

地面數(shù)據(jù)處理站主要包括數(shù)據(jù)記錄設(shè)備與信息數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示組合兩部分。主要用于記錄機(jī)載校準(zhǔn)吊艙內(nèi)各校準(zhǔn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理與顯示校準(zhǔn)信息，輸出校準(zhǔn)結(jié)果。

3 無人機(jī)校飛航路設(shè)計(jì)

為了保證校飛的校準(zhǔn)精度以及方位角、俯仰角的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)范圍，需要對(duì)無人機(jī)航路進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確無人機(jī)飛行的校飛坐標(biāo)系、校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)位、進(jìn)入(退出)條件、航路高度、航向、航路最大有效航程等參數(shù)。

3.1 校飛坐標(biāo)系

選用被校光電經(jīng)緯儀的測(cè)站坐標(biāo)系。定義軸方向與無人機(jī)有效航程方向平行，軸垂直于大地水平面方向，建立右手笛卡爾直角坐標(biāo)系。校飛過程如圖4所示，其中點(diǎn)為測(cè)量設(shè)備站點(diǎn)；點(diǎn)、點(diǎn)為無人機(jī)遠(yuǎn)離或進(jìn)入航路點(diǎn)；為航路相對(duì)高度；、分別為測(cè)量設(shè)備方位角、俯仰角；為被校設(shè)備距無人機(jī)的最大有效航程。

圖4 校飛過程原理示意圖

3.2 航路高度

航路高度應(yīng)能保證測(cè)量設(shè)備在跟蹤過程中地面不應(yīng)進(jìn)入被校設(shè)備視場(chǎng)，所以航路高度應(yīng)滿足：

≥·tan()

(1)

式中：為測(cè)量設(shè)備最大視場(chǎng)。

3.3 基準(zhǔn)點(diǎn)位

動(dòng)態(tài)校飛時(shí)，被校準(zhǔn)設(shè)備架設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)位應(yīng)經(jīng)過三級(jí)大地測(cè)量。

3.4 最大有效航程

綜合考慮無人機(jī)飛行時(shí)間與有效進(jìn)入次數(shù)的關(guān)系，航路有效航程擬定為20 km，能夠保證每個(gè)飛行架次有效進(jìn)入3次，且每個(gè)有效進(jìn)入被校準(zhǔn)設(shè)備的采集時(shí)間不小于180 s。

3.5 航路進(jìn)入(退出)條件

(2)

式中：為機(jī)載校準(zhǔn)裝置的定位精度，取0.2 m；為機(jī)載校準(zhǔn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)角度校準(zhǔn)精度，取10″；為航路高度，取2 000 m；為設(shè)備的保精度測(cè)試俯仰角，取6°。

則在地面的最小投影距離′為：

(3)

根據(jù)上述無人機(jī)航路參數(shù)、飛機(jī)速度(50 m/s)、校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)位，經(jīng)計(jì)算從航路退出點(diǎn)到遠(yuǎn)端10 000 m處飛機(jī)提供的角速度為由0.45°/s降至0.034°/s。目前光電經(jīng)緯儀執(zhí)行任務(wù)時(shí)，正常穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的角速度一般小于0.6°。

3.6 校飛程序

1)根據(jù)被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀的性能和精度設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳布站幾何和飛機(jī)校飛航路；

2)對(duì)無人機(jī)校準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)試并做好準(zhǔn)備工作后，通過基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)GPS/INS測(cè)量組件的定位精度進(jìn)行地面校準(zhǔn)；

3)對(duì)被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀布設(shè)到位并調(diào)試后，校飛前分別用正、倒鏡對(duì)選定的方位標(biāo)進(jìn)行拍攝；

4)在時(shí)統(tǒng)信號(hào)的同步下，被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀對(duì)安裝有合作目標(biāo)的無人機(jī)進(jìn)行跟蹤測(cè)量；

各個(gè)學(xué)者做的實(shí)證研究幾乎都是從母語對(duì)二語寫作、閱讀、語法等方面的影響，但得到的結(jié)果卻不同。有的研究結(jié)果得出母語遷移對(duì)二語習(xí)得產(chǎn)生正遷移，有的研究結(jié)果得出母語遷移對(duì)二語習(xí)得產(chǎn)生負(fù)遷移。原因在于，母語對(duì)第二語言學(xué)習(xí)產(chǎn)生的作用受多方面的因素影響，而不是受單一因素影響，因而學(xué)者們實(shí)證研究得到的結(jié)果不同。

5)每架次飛行前后各測(cè)量一次測(cè)站及高空的濕度、氣壓和溫度；

6)每架次飛行結(jié)束后，光電經(jīng)緯儀分別用正、倒鏡對(duì)選定的方位標(biāo)進(jìn)行拍攝。

4 數(shù)據(jù)處理方法

光電經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)校飛直接獲得的數(shù)據(jù)有兩類，一類是光電經(jīng)緯儀跟蹤飛機(jī)(觀察光電合作目標(biāo))記錄的圖像數(shù)據(jù)，另一類是無人機(jī)機(jī)載GPS/INS測(cè)量組建獲得的無人機(jī)航跡定位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理主要是將這兩類數(shù)據(jù)分別處理成基于光電經(jīng)緯儀站址的方位角、俯仰角形式，光電經(jīng)緯儀跟蹤記錄無人機(jī)圖像處理的數(shù)據(jù)為測(cè)量數(shù)據(jù)，無人機(jī)機(jī)載校準(zhǔn)裝置獲得的數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.1 光電經(jīng)緯儀測(cè)量數(shù)據(jù)處理

步驟1：采用光電經(jīng)緯儀圖像處理軟件判讀光電經(jīng)緯儀跟蹤記錄的無人機(jī)圖像，判讀位置為光電合作目標(biāo)中心，輸出判讀結(jié)果文件；

步驟2：采用外彈道數(shù)據(jù)處理軟件將判讀結(jié)果處理合成為方位角、俯仰角形式；

步驟3：對(duì)步驟2的處理結(jié)果進(jìn)行單項(xiàng)差修正；

步驟4：對(duì)步驟3的處理結(jié)果進(jìn)行大氣折射修正(記錄校飛試驗(yàn)時(shí)段的氣象數(shù)據(jù))。

4.2 機(jī)載GPS校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)處理

步驟1：將記錄的無人機(jī)航路軌跡經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為站址坐標(biāo)系數(shù)據(jù)格式。站址坐標(biāo)系：原點(diǎn)為被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀的測(cè)站坐標(biāo)，軸方向?yàn)闊o人機(jī)有效航程方向，軸垂直于大地水平面方向，建立右手笛卡爾直角坐標(biāo)系。輸出數(shù)據(jù)結(jié)果為T(時(shí)間)、A(方位角)、E(俯仰角)格式。

步驟2：采用光電經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)處理軟件將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀站址的方位角、俯仰角形式數(shù)據(jù)T、A、E格式。

4.3 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將被校設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)做差，統(tǒng)計(jì)被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀的測(cè)量精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和均方根誤差。

(4)

隨機(jī)誤差公式：

(5)

均方根誤差為：

(6)

式中：′為第個(gè)進(jìn)入中取樣的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)；Δ為第個(gè)進(jìn)入中第個(gè)一次差。

動(dòng)態(tài)校飛試驗(yàn)中，方位角、俯仰角的測(cè)量誤差均采用式(4)～式(6)統(tǒng)計(jì)。

5 校飛試驗(yàn)

按照上述方法對(duì)靶場(chǎng)某型光電經(jīng)緯儀測(cè)量精度進(jìn)行了一次基于機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件的無人機(jī)實(shí)飛驗(yàn)證測(cè)量。試驗(yàn)利用W-50型無人機(jī)作為動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)平臺(tái)，通過搭載GPS/INS測(cè)量組件與合作目標(biāo)構(gòu)成空中動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，試驗(yàn)共飛行無人機(jī)一個(gè)架次兩個(gè)航路，通過校飛對(duì)基地某型光電經(jīng)緯進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)基本情況為：

1)被檢測(cè)光電經(jīng)緯儀測(cè)角精度30″(方位角、俯仰角均是)；

2)機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件定位精度0.2 m;

3)無人機(jī)飛行高度2 000 m，取無人機(jī)航路6.8～10.8 km機(jī)載GPS/INS測(cè)量組件的位置數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5為光電經(jīng)緯儀的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值的方位角均方根11″、俯仰角均方根14″，而設(shè)備測(cè)量精度為30″，結(jié)果說明該臺(tái)光電經(jīng)緯儀測(cè)試精度在指標(biāo)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)是有效的。

圖5 光電經(jīng)緯儀角度實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)

6 結(jié)束語

文中論述的方法，可使靶場(chǎng)大量的光電經(jīng)緯儀在試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)得到及時(shí)、定期、全面的校準(zhǔn)，其在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件下動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度能夠得以控制及評(píng)定，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)客觀地反映武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)性能，為武器系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)優(yōu)化和戰(zhàn)技指標(biāo)評(píng)定提供技術(shù)保障。