基于GPS的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度校飛方法

劉勇 韋國軍 閆龍

摘? 要：光電經(jīng)緯儀主要用于對目標的實況拍攝和定向測量，其動態(tài)測角精度直接影響著對目標交會定位的精準程度，參試前需要鑒定測角精度。根據(jù)測控要求和靶場實際條件，提出基于GPS作為鑒定標準的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度校飛方法。試驗結果表明設備跟蹤穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)平滑，動態(tài)測角精度滿足設計指標，具備參試條件。從多次完成任務和數(shù)據(jù)處理結果看，該方法切實可行，可以對測角精度做出評價，為接收和拒收提供判斷依據(jù)。

關鍵詞：無人機;校飛;精度鑒定

中圖分類號：TN98? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0061-04

Method of Dynamic Angle Measurement Precision Inspection Flight for

Photoelectric Theodolite Based on GPS

LIU Yong，WEI Guojun，YAN Long

（PLA Strategic Support Force University of Aerospace Engineering，Beijing? 101400，China）

Abstract：Photoelectric theodolite is mainly used for live shooting and orientation measurement of targets，and its dynamic angle measurement accuracy directly affects the accuracy of target intersection and positioning，so it is necessary to identify the angle measurement accuracy before the test. According to the requirements of measurement and control and the actual conditions of shooting range，a photoelectric theodolite dynamic angle accuracy inspection flight method based on GPS as the identification standard is proposed. The test results show that the tracking of the equipment is stable，the measurement data is smooth，the precision of dynamic angle measurement meets the design index，and it has the test condition. From the results of many tasks and data processing，the method is feasible，which can evaluate the accuracy of angle measurement and provide judgment basis for receiving and rejecting.

Keywords：UAV;inspection flight;accuracy evaluation

0? 引? 言

新技術武器裝備試驗任務意義大、試驗風險高，其中測控系統(tǒng)具有目標相對測控設備動態(tài)性能快、彈道測量精度要求嚴的特點。為了得到高精度彈道，本文以筆者參與的科研項目為支撐，基于大量的測試數(shù)據(jù)和實驗分析，研究光電經(jīng)緯儀精度鑒定、設備優(yōu)化布站、目標航路規(guī)劃、實時和事后交會定位算法研究等工作。由于單位測控技術發(fā)展相對較晚和力量薄弱，參試設備多為新研制或新改造的設備，作者最初著重研究光電經(jīng)緯儀測角精度鑒定等工作。以往光電經(jīng)緯儀精度鑒定主要通過有人駕駛飛機作為校飛平臺，基準設備為高精度彈道相機（或電影經(jīng)緯儀），該方法存在數(shù)據(jù)處理周期較長、彈道相機不能隨動跟蹤、視場相對較?。y量弧段較短，可用數(shù)據(jù)量較少）等局限性。

無人機技術的飛速發(fā)展和GPS差分定位精度的提高，使無人機掛載作為高精度GPS作為校飛平臺和基準成為可能和趨勢，該方法中，GPS和光電經(jīng)緯儀同時測量目標位置、以GPS作為比較標準鑒定光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度，具有測試條件模擬逼真、數(shù)據(jù)比較快速直接、效費比高等優(yōu)點。本文探討了光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度鑒定系統(tǒng)組成、無人機航路規(guī)劃、精度鑒定數(shù)據(jù)處理方法等，通過實際試驗實現(xiàn)并確定了精度鑒定步驟，并分析了高精度GPS和無人機校飛平臺用于光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度鑒定的可行性。

1? 校飛系統(tǒng)組成

根據(jù)無人機的性能指標，選擇一種合適的無人機，具有飛行平穩(wěn)可靠、留有足夠空間和電氣接口、可根據(jù)用戶不同需求加載不同任務設備等特點以滿足校飛需要。在遴選曳光管、機載GPS、遙測發(fā)射機、電子羅盤、數(shù)據(jù)記錄器等合作目標時，選取小型化、集成化，低價格的成熟產品，在不影響無人機整體配重平衡的情況下，集成各分系統(tǒng)，并做到整系統(tǒng)電磁兼容。

加裝時，機載GNSS天線安裝位置為機背，GNSS接收機、遙測發(fā)射機、電源模塊安裝于機艙，遙測天線安裝于機腹位置。為了光電經(jīng)緯儀觀測方便，點光源合作目標安裝于腹部，盡量縮短與GNSS天線在機體縱軸線方向上的距離，以減少跟蹤點不一致的影響。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，GNSS天線位置坐標修正到點光源位置。

此時基于GPS的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度校飛結構如圖1所示。

2? 航路設計

由于飛機飛行速度、高度、距離有限，光電設備的某些動態(tài)指標檢測會受到一定限制，根據(jù)設備的主要技術指標，在GNSS事后測量精度為30 cm、比較標準設備的測量精度為被鑒定設備測量精度的3倍條件下，要求光電設備與飛機航線距離≥9.3 km。光電設備與飛機航線距離≥6.2 km，方可滿足鑒定光電設備紅外測角精度的要求。航線設計時重點考慮了以下幾個方面因素：

（1）考慮設備布局，靶場地形、地貌等因素;

（2）確保在整個航路上能夠對無人機進行無障礙遙控;

（3）試驗航路最大限度地檢測設備的性能與精度;

（4）飛行航道盡可能簡單，在精度鑒定數(shù)據(jù)收集區(qū)選擇直線航路，以便于航路保持;

（5）盡量模擬設備在實戰(zhàn)中的跟蹤狀態(tài)。

3? 測角精度鑒定方法研究

光電設備測得的是無人機以設備中心（三軸交點）為原點的垂線測量坐標系的坐標（A，E），而GNSS測量計算的結果則是WGS-84坐標系中的大地坐標，為此，在結果比對之前，必須進行坐標轉換。將GNSS測量結果轉換至光電設備點的垂線測量坐標系，求無人機在該坐標系中的GNSS標準值。

將GPS天線相位中心、光電經(jīng)緯儀三軸中心大地坐標分別向地心空間直角坐標系轉化：

其中，（L、B、H）為GPS天線相位中心的大地經(jīng)、緯、高;（L0、B0、H0）為光電經(jīng)緯儀三軸中心的大地經(jīng)、緯、高;為GPS天線相位中心點的卯酉面曲率半徑，為光電經(jīng)緯儀三軸中心點的卯酉面曲率半徑;a為地球長軸半徑;e為地球第一偏心率。

建立機體坐標系。在飛機靜態(tài)時，用全站儀測出曳光管噴口在機體坐標系中的位置：

其中，L徑為曳光管相對飛機中心在機身方向的長度，r為曳光管長度，α為安裝傾角。

根據(jù)電子羅盤測量的飛機俯仰角?、滾轉角γ和偏航角κ，求出曳光管噴口在以GPS天線相位中心為原點的測量坐標系中坐標：

其中，Δγ=γ-γ1;γ1 。

曳光管噴口與GPS天線相位中心在地心空間直角坐標系下的相對位置：

其中，Bt、Lt為GPS在t時刻的經(jīng)度、緯度。

那么曳光管噴口在地心空間直角坐標系下的坐標為：

校飛試驗時，無人機目標成像較為對稱，若無人機較小且飛行比較平穩(wěn)，完全可以不加載曳光管和姿態(tài)測量裝置。事先將GPS天線安裝固定于機背中央位置，在GPS天線相位中心位置折算到曳光管噴口時，直接將GPS定位數(shù)據(jù)中高度參數(shù)項減去二分之一飛機厚度，即為曳光管噴口的準確定位數(shù)據(jù)：

其中，h為飛機厚度。

光電經(jīng)緯儀測角數(shù)據(jù)是基于以設備三軸中心為原點的垂線測量坐標系。

將曳光管噴口航跡參數(shù)由地心空間直角坐標系轉換到測站垂線測量坐標系，轉換方程為：

其中，[xY? yY? zY]T為曳光管噴口在測站垂線測量坐標系內的坐標;G為地心空間直角坐標系與法線測量坐標系轉換關系：

G1為法線測量坐標系與垂線測量坐標系的轉換關系：

其中，γo=arcsin[sin（λo-Lo）sinφo];（Lo，Bo，

Ho）為測站原點的大地坐標，（λo，φo，ho）為測站原點天文坐標;（ξo，ηo）為垂線偏差在子午圈和卯酉圈上的分量。

計算出曳光管噴口在垂線測量坐標系下的標準值（AY，EY）：

有了上述曳光管航跡在垂線測量坐標系下的標準值和光電經(jīng)緯儀測量值，則可比對、統(tǒng)計光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度，比對前，已對光電經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)進行了預處理和大氣折射誤差修正工作。光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角誤差為：

其中，N為參加校飛的無人機架次;M為每個架次中無人機航跡的采樣點;ΔAij=Aij-AijY;ΔEij=Eij-EijY;Aij為第i架次中光電經(jīng)緯儀測量第j個采樣點的方位角;Eij為第i架次中光電經(jīng)緯儀測量第j個采樣點的俯仰角;AijY為第i架次曳光管航跡第j個采樣點對應的方位角;EijY為第i架次曳光管航跡第j個采樣點對應的俯仰角。

對于光電經(jīng)緯儀測角精度的評判，一般常用系統(tǒng)誤差和隨機誤差來衡量。系統(tǒng)誤差是由測量設備的設計、加工與裝調引入的誤差以及零值不準、站址測量不準或外界條件變化等引起的，反映了測量值與真實值的偏離程度;隨機誤差是由測量設備內部熱噪聲、外界條件的擾動引起的，反映了在重復測量時，許多獨立測量值之間的一致性程度，或者說代表測量值的離散程度。

在上述實施方案中，GPS定位精度的選取可根據(jù)被鑒定光電設備的精度設計指標而定，一般情況下，載波相位差分GPS系統(tǒng)即可;遙測系統(tǒng)采用全向天線小遙測系統(tǒng)即可;關于時間同步問題，除了采用內插方法外，還可采用GPS接收機為電子羅盤，提供時統(tǒng)信號實現(xiàn)同步;曳光管可采用可見光曳光管或紅外曳光管，根據(jù)被鑒定光電經(jīng)緯儀的相機而定。

4? 試驗結果分析

圖2為根據(jù)以上航路設計原則設計出的實際航跡，途中設備到航跡的數(shù)據(jù)表示鑒定的最短距離，航跡上的距離表示鑒定段落。

通過試驗驗證航跡可以給五臺光電設備進行精度鑒定。由此可知，通過合理的航跡設計，可以同時完成多臺光電設備的精度鑒定，減少飛行次數(shù)，節(jié)省大量的人力物力。

根據(jù)光電設備測量數(shù)據(jù)的比對統(tǒng)計結果如表1所示（統(tǒng)計徑向距離大于3 km的段落），其中E（δA）、σ（δA）表示方位角的A比對殘差的均值和總誤差均方根值;E（δE）、σ（δE）表示俯仰角E比對殘差的均值和總誤差均方根值。

俯仰角經(jīng)折射修正后測角精度在15″左右，方位角測角精度稍差為30″左右，有時會超過設計指標30″，考慮到選取的無人機目標較大，光學設備跟蹤點和GPS安裝點不一致，數(shù)據(jù)比對、統(tǒng)計時方位角測角精度有時偏大是正常的，在可接受的范圍之內，光電設備精度滿足設計指標與試驗要求基本一致。

5? 結? 論

通過應用無人機作為校飛平臺，采用以高精度GPS定位數(shù)據(jù)作為比較標準進行校飛。對多次試驗得到的數(shù)據(jù)進行分析，所得光電經(jīng)緯儀測角精度在設計指標之內，同時驗證了無人機校飛的可行性，拓展了無人機在測控設備精度鑒定方面的應用。

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作者簡介：劉勇（1981—），男，漢族，山東鄆城人，高級工程師，本科，研究方向：光電測量。