無GPS與BDS衛(wèi)星導(dǎo)航條件下空降兵集結(jié)定位技術(shù)研究

靳曉蕾 王洪源 何婉昀

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7203

摘? 要：在空降作戰(zhàn)中，快速集結(jié)是部隊(duì)的一項(xiàng)重要能力，能大幅提高隊(duì)伍的生存率和戰(zhàn)斗力。GPS在戰(zhàn)斗中易受干擾無法使用。本文在禁用GPS的條件下，針對快速集結(jié)中的快速定位問題，設(shè)計(jì)一款結(jié)合無線電測向、激光測距的電子羅盤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用HMC5883L三軸磁阻傳感器測量載體三個(gè)軸的磁場強(qiáng)度，采用MPU6050加速度傳感器在羅盤傾斜的情況下計(jì)算姿態(tài)角對測量值進(jìn)行補(bǔ)償，得到方位角。利用激光測距測得行走距離，通過三角定位的方法，計(jì)算出目標(biāo)信號源的具體位置，達(dá)到快速集結(jié)的目的。

關(guān)鍵詞：無線電測向? 電子羅盤? 磁力計(jì)? 加速度計(jì)

中圖分類號：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0069-03

Research on the Positioning Technology of Airborne Soldiers Aggregation under the Condition of Non-GPS/BDS Satellite Navigation

JIN Xiaolei? WANG Hongyuan*? HE Wanyun

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning Province，110159? China）

Abstract： In airborne operations， rapid assembly is an important capability of troops， which can greatly improve the survival rate and combat effectiveness of troops. GPS is easily disturbed in battle and cannot be used. In this paper， an electronic compass system combining radio direction finding and laser ranging is designed under the condition of disabling GPS. The system uses hmc5883l three-axis magnetoresistive sensor to measure the magnetic field strength of the three axes of the carrier， and mpu6050 acceleration sensor to calculate the attitude angle when the compass is tilted to compensate the measured value， get the azimuth. The walking distance is measured by laser ranging， and the specific position of the target signal source is calculated by triangulation， so as to achieve the purpose of rapid assembly.

Key Words： Radio direction finding;? Electronic compass; Magnetometer; Accelerometer

空降兵的作戰(zhàn)方式是空降到戰(zhàn)場，高機(jī)動(dòng)性是空降兵的特點(diǎn)之一。由于空降兵跳傘后，空投物資和人員著陸位置分散，散布范圍非常廣，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套快速搜尋物資并快速集結(jié)的系統(tǒng)是必要的。國外的集結(jié)定位設(shè)備完全依賴GPS，GPS在戰(zhàn)爭狀態(tài)下易受干擾，因此需要開發(fā)出GPS停用時(shí)的應(yīng)急替代設(shè)備。現(xiàn)有的單值無線電測向設(shè)備，只能探測無線電信標(biāo)的方向，無法測量距離，在實(shí)際作戰(zhàn)中需要配合地圖與指南針使用，非常不方便。

本文將MEMS傳感器、電子羅盤、激光測距與RSSI技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種不依靠衛(wèi)星定位的自動(dòng)化測向系統(tǒng)，解決了空降兵跳傘著陸后快速集結(jié)這一難題。

1? 無線電測向的三角定位原理

無線電測向是利用測向設(shè)備確定無線電波的來波方向，以測出目標(biāo)信號源的方位，這種測向設(shè)備稱為無線電測向機(jī)[1]。無線電定位在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定了目標(biāo)信號源的具體位置。

理論上，測出兩個(gè)不同測向點(diǎn)的目標(biāo)方位，連接2個(gè)測向點(diǎn)與目標(biāo)信號源作出兩條直線，已知2個(gè)測向點(diǎn)之間的距離，即可得到第二次測向點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)信號源的距離[2]。利用構(gòu)建直角坐標(biāo)系的方法，坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)為第一次測向點(diǎn)，y軸為地磁北極方向，x軸為磁北方向垂直向右方向。

在坐標(biāo)原點(diǎn)O處，將目標(biāo)信號源設(shè)為點(diǎn)A，在點(diǎn)O處測量點(diǎn)A的方位角a。沿著y軸方向行走一段距離h到達(dá)第二次測向點(diǎn)B，在點(diǎn)B處測量點(diǎn)A的方位角b，連接2個(gè)測向點(diǎn)與目標(biāo)信號源，如圖1所示。

根據(jù)正弦定理，即可得到目標(biāo)信號源在測向點(diǎn)B的方位角為b、距離為處。

2? 基于MEMS的自動(dòng)化定位技術(shù)

本研究采用MEMS加速度傳感器+電子羅盤+激光測距+RSSI集成技術(shù)。

2.1 RSSI

RSSI指接收信號的強(qiáng)度指示。無線電測向發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率一定的情況下，隨著距離增加，接收信號的強(qiáng)度會越來越弱，根據(jù)信號強(qiáng)弱測定目標(biāo)信號源的方向與距離[3]。

2.2 電子羅盤

電子羅盤通過測量地磁場水平分量計(jì)算方位角。電子羅盤水平放置時(shí)，x軸是載體前進(jìn)方向，y軸垂直于x軸向右，兩軸處于同一平面，z軸沿重力方向向下，載體坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系重合[4]。

2.3 MEMS加速度傳感器與電子羅盤結(jié)合

在空降作戰(zhàn)中，落點(diǎn)是隨機(jī)的，無法保證羅盤保持水平，此時(shí)需要使用加速度傳感器計(jì)算姿態(tài)角對測量值進(jìn)行補(bǔ)償。姿態(tài)角是載體的傾斜程度，由俯仰角和橫滾角構(gòu)成，當(dāng)羅盤傾斜時(shí)，載體由水平面沿x軸旋轉(zhuǎn)的角度為橫滾角θ，載體沿y軸與水平面的旋轉(zhuǎn)角度為俯仰角φ[5]。如圖2所示。

羅盤傾斜時(shí)載體坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系不重合，經(jīng)過坐標(biāo)變換，計(jì)算出地球磁場在x、y、z3個(gè)軸上水平分量Xh、Yh、Zh，如圖3所示。

通過加速度計(jì)測得重力加速度g在載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸上的分量分別是Xg，Yg，Zg，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算橫滾角θ與俯仰角φ，如下所示。

磁傳感器測量磁場強(qiáng)度在三軸上的分量分別為Hx、Hy、Hz，則羅盤傾斜時(shí)水平方向的磁分量Xh、Yh，如下所示。

則地磁航向角在整個(gè)象限內(nèi)的表達(dá)式如下。

磁偏角是地磁南北極與地理南北極的夾角，且磁偏角受緯度影響。本文只需確定發(fā)射臺的具體位置，因此不用考慮磁偏角，只需測得地磁航向角即可。

2.4 激光測距

激光測距選擇手持紅外激光測距儀，這種儀器小巧便攜，采用相位式光學(xué)系統(tǒng)，量程為0.2～120m，測距精度較高[6]。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用HMC5883L和MPU6050共用I2C總線的方式與Arduino Mega 2560控制板相連，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

Arduino Mega 2560控制板負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，顯示模塊利用Processing軟件編寫的界面，將處理后的數(shù)據(jù)存儲并發(fā)送至PC機(jī)，通過串口通信將數(shù)據(jù)直觀的顯示出來，如圖5所示。

3? 實(shí)驗(yàn)研究

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程可以描述為：空降兵跳傘后，在落點(diǎn)A處通過無線電測向機(jī)與電子羅盤分別得到目標(biāo)信號源X與Y的方位角β1、β2。此時(shí)空降兵朝磁北方向行走h(yuǎn)米到達(dá)點(diǎn)第二個(gè)測向點(diǎn)B，在落點(diǎn)B處通過無線電測向機(jī)分別得到目標(biāo)信號源X與Y的方位角β3、β4，如圖6所示。

根據(jù)正弦定理，可以分別得到測向點(diǎn)B到目標(biāo)信號源X和目標(biāo)信號源Y的距離，，。

4? ?結(jié)語

本文針對空降兵快速集結(jié)問題設(shè)計(jì)了一個(gè)無線電測向與電子羅盤相結(jié)合的測向系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無線電測向探測目標(biāo)信號源的方位，使用HMC5883L磁阻傳感器和MPU6050加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，通過Arduino控制板對數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算地磁航向角，用激光測距儀測量行走距離，通過三角定位的方法，最終確定發(fā)射機(jī)位置。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉杰.基于無人機(jī)平臺的無線電測向技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2020.

[2] 郭永寧.基于多旋翼無人機(jī)的低空無線電監(jiān)測與定位系統(tǒng)研究[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2020.

[3] 王凱.無線電測向定位方法在新型無線電干擾查找中的運(yùn)用研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2019.

[4] 高俊.基于磁阻傳感器的高精度電子羅盤設(shè)計(jì)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心），2018.

[5] 陳敏.基于各向異性磁電阻的高精度電子羅盤設(shè)計(jì)研究[D].北京：電子科技大學(xué)，2019.

[6] 吳奇軒.高精度激光相位測距系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2020.