基于機載GPS/INS測量組件的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測量精度評定方法

穆高超，錢禮華，黨 峰，邱 純，李云超

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

光電經(jīng)緯儀是靶場試驗測試中重要的測量設(shè)備，對彈箭飛行過程進行實時跟蹤，實時記錄其飛行圖像，通過圖像判讀完成對運動目標(biāo)在光電經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角的測量，事后交會處理得到目標(biāo)的空間坐標(biāo)、飛行速度等外彈道參數(shù)。測角精度的高低，直接決定外彈道參數(shù)的測量精度。

當(dāng)前，光電經(jīng)緯儀設(shè)備研制單位對光電經(jīng)緯儀具備一定出廠檢測能力，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、造價昂貴、運輸困難，遠距離顛簸運輸增大了失準(zhǔn)、損壞的可能性；二是送檢周期長，定期校準(zhǔn)困難，影響武器裝備科研生產(chǎn)進度。受此局限，目前光電經(jīng)緯儀現(xiàn)場條件下一般采用星校方式對處于工作狀態(tài)的光電經(jīng)緯儀進行校準(zhǔn)，這種方式可對光電經(jīng)緯儀靜態(tài)測角總精度和系統(tǒng)功能進行總體評估，存在的主要問題是：由于星體紅外輻射微弱致紅外測量頭難以成像，使得紅外測量頭無法得到校準(zhǔn)，僅能對可見光測量頭進行校準(zhǔn)；對星體觀測的角速度較低，與設(shè)備實際工況差異大。所以該方法也難以系統(tǒng)全面地完成對光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度進行校準(zhǔn)。

因此，如何在靶場條件下對光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度進行評定，確保光電經(jīng)緯儀提供的外彈道測量數(shù)據(jù)精度，是當(dāng)前靶場亟待解決的問題。針對這一難題，提出利用無人機搭載GPS/INS測量組件測量的高精度動態(tài)時空位置信息，采用數(shù)據(jù)差值分析完成光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度的具體校準(zhǔn)方法。

1 基于無人機平臺的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測量精度評定原理

利用無人機作為空中運動平臺，無人機通過機載吊艙攜帶GPS/INS測量組件和光電合作目標(biāo)按照規(guī)劃航路飛行，GPS/INS組件實時測量并記錄其空間位置坐標(biāo)和無人機姿態(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機載光電合作目標(biāo)，測量其指向合作目標(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)緯儀的測量值進行差值統(tǒng)計分析，得到光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角誤差。評定原理如圖1所示。

圖1 基于無人機平臺的光電經(jīng)緯儀動態(tài)測角精度評定方法原理框圖

2 無人機校準(zhǔn)系統(tǒng)

無人機校準(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)主要由無人機飛行平臺、機載GPS/INS測量組件、光電合作目標(biāo)、數(shù)據(jù)處理地面站組成。

2.1 機載GPS/INS測量組件

機載GPS/INS測量組件主要由GPS/INS定位定向測姿分系統(tǒng)、無線通信組合、光源控制組合組成。

2.1.1 GPS/INS定位定向測姿分系統(tǒng)

GPS/INS定位定向測姿分系統(tǒng)由吊艙GPS/INS定位定向測姿裝置(移動站)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、時間和航向角，結(jié)合慣性測量單元獲得空中吊艙高精度的航向、滾轉(zhuǎn)、俯仰等信息，可對合作目標(biāo)光源由于吊艙姿態(tài)變化造成的偏差進行修正。

吊艙GPS/INS定位定向測姿裝置主要由GPS/INS定位定向測姿組合、雙頻GPS天線、無線通信電臺、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、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時傳遞，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測量裝置等共同參與下完成單臺或多臺光電經(jīng)緯儀的測角動態(tài)校準(zhǔn)。

光源控制組合完成光源閃光時刻的準(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)，光源為地面測量設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的測試目標(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)緯儀識別并準(zhǔn)確捕獲。無人機上共安裝兩個光源，在進行脫靶量校準(zhǔn)時，兩光源之間的距離作為標(biāo)準(zhǔn)距離。進行動態(tài)測角精度校準(zhǔn)時，只采用其中的一個光源，其時間統(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。主要用于記錄機載校準(zhǔn)吊艙內(nèi)各校準(zhǔn)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，實時處理與顯示校準(zhǔn)信息，輸出校準(zhǔn)結(jié)果。

3 無人機校飛航路設(shè)計

為了保證校飛的校準(zhǔn)精度以及方位角、俯仰角的動態(tài)校準(zhǔn)范圍，需要對無人機航路進行設(shè)計，明確無人機飛行的校飛坐標(biāo)系、校準(zhǔn)基準(zhǔn)點位、進入(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)緯儀的測站坐標(biāo)系。定義軸方向與無人機有效航程方向平行，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，其中點為測量設(shè)備站點；點、點為無人機遠離或進入航路點；為航路相對高度；、分別為測量設(shè)備方位角、俯仰角；為被校設(shè)備距無人機的最大有效航程。

圖4 校飛過程原理示意圖

3.2 航路高度

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

≥·tan()

(1)

式中：為測量設(shè)備最大視場。

3.3 基準(zhǔn)點位

動態(tài)校飛時，被校準(zhǔn)設(shè)備架設(shè)基準(zhǔn)點位應(yīng)經(jīng)過三級大地測量。

3.4 最大有效航程

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

3.5 航路進入(退出)條件

(2)

式中：為機載校準(zhǔn)裝置的定位精度，取0.2 m；為機載校準(zhǔn)系統(tǒng)的動態(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)上述無人機航路參數(shù)、飛機速度(50 m/s)、校準(zhǔn)基準(zhǔn)點位，經(jīng)計算從航路退出點到遠端10 000 m處飛機提供的角速度為由0.45°/s降至0.034°/s。目前光電經(jīng)緯儀執(zhí)行任務(wù)時，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)計出一個最佳布站幾何和飛機校飛航路；

2)對無人機校準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)試并做好準(zhǔn)備工作后，通過基準(zhǔn)點對GPS/INS測量組件的定位精度進行地面校準(zhǔn)；

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

4)在時統(tǒng)信號的同步下，被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀對安裝有合作目標(biāo)的無人機進行跟蹤測量；

各個學(xué)者做的實證研究幾乎都是從母語對二語寫作、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)果得出母語遷移對二語習(xí)得產(chǎn)生負(fù)遷移。原因在于，母語對第二語言學(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)者們實證研究得到的結(jié)果不同。

5)每架次飛行前后各測量一次測站及高空的濕度、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、倒鏡對選定的方位標(biāo)進行拍攝。

4 數(shù)據(jù)處理方法

光電經(jīng)緯儀動態(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(觀察光電合作目標(biāo))記錄的圖像數(shù)據(jù)，另一類是無人機機載GPS/INS測量組建獲得的無人機航跡定位數(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圖像處理的數(shù)據(jù)為測量數(shù)據(jù)，無人機機載校準(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：對步驟2的處理結(jié)果進行單項差修正；

步驟4：對步驟3的處理結(jié)果進行大氣折射修正(記錄校飛試驗時段的氣象數(shù)據(jù))。

4.2 機載GPS校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)處理

步驟1：將記錄的無人機航路軌跡經(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：原點為被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀的測站坐標(biāo)，軸方向為無人機有效航程方向，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)計分析

將被校設(shè)備測量數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比對做差，統(tǒng)計被校準(zhǔn)光電經(jīng)緯儀的測量精度，統(tǒng)計結(jié)果包括系統(tǒng)誤差、隨機誤差和均方根誤差。

(4)

隨機誤差公式：

(5)

均方根誤差為：

(6)

式中：′為第個進入中取樣的觀測點數(shù)；Δ為第個進入中第個一次差。

動態(tài)校飛試驗中，方位角、俯仰角的測量誤差均采用式(4)～式(6)統(tǒng)計。

5 校飛試驗

按照上述方法對靶場某型光電經(jīng)緯儀測量精度進行了一次基于機載GPS/INS測量組件的無人機實飛驗證測量。試驗利用W-50型無人機作為動態(tài)校準(zhǔn)平臺，通過搭載GPS/INS測量組件與合作目標(biāo)構(gòu)成空中動態(tài)基準(zhǔn)，試驗共飛行無人機一個架次兩個航路，通過校飛對基地某型光電經(jīng)緯進行了動態(tài)校準(zhǔn)驗證。驗證試驗基本情況為：

1)被檢測光電經(jīng)緯儀測角精度30″(方位角、俯仰角均是)；

2)機載GPS/INS測量組件定位精度0.2 m;

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

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

圖5 光電經(jīng)緯儀角度實測值與標(biāo)準(zhǔn)值比對

6 結(jié)束語

文中論述的方法，可使靶場大量的光電經(jīng)緯儀在試驗場區(qū)內(nèi)得到及時、定期、全面的校準(zhǔn)，其在現(xiàn)場測量條件下動態(tài)測量不確定度能夠得以控制及評定，測量數(shù)據(jù)真實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)計優(yōu)化和戰(zhàn)技指標(biāo)評定提供技術(shù)保障。