應用于無人直升機海洋航空磁力測量的機載GPS定位系統

梁冠輝，紀育強，孫 強

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

應用于無人直升機海洋航空磁力測量的機載GPS定位系統

梁冠輝，紀育強，孫 強

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

無人直升機海洋航空磁力測量工作需要為磁力數據提供精確的位置和高程。根據無人直升機海洋航空磁力測量的實際工作環境和對定位精度的要求，設計了該機載單頻GPS定位系統，并進行了模擬試驗和野外試驗，處理GPS數據采用商業軟件。試驗結果表明：該機載GPS定位系統滿足定位精度要求，可應用于無人直升機海洋航空磁力測量。

無人直升機；單頻GPS；高程

無人直升機海洋航空磁力測量工作需要獲取水平精度優于2 m的動態位置并進行精度優于50 cm的動態高程測量，用于磁力數據的定位與校正。GPS不但可以進行三維坐標測量而且具有易于安裝、定位精度高、工作效率高的特點，因此本文采用GPS作為整個磁力測量系統的定位系統。

商業GPS接收機由于質量和體積較大、抗震性能差，不適合安裝于無人直升機平臺。該系統中的單頻GPS接收機內嵌于工業控制計算機PC104，適用于無人直升機海洋磁力測量。在較小范圍內（＜20 km），該系統獲取的單頻GPS數據經過差分處理所得經緯度精度可達到分米級別、高程精度優于50 cm。

1 系統設計

用于飛機測量高程的儀器有：氣壓高度表、無線電高度表、機載雷達和機載激光測高儀等，以上儀器僅能進行高程測量[1-3]，GPS在進行高程測量的同時還可以進行經緯度測量，獲取飛機的三維坐標，其工作原理如下。

GPS主要由三部分組成：空間星座、地面監控和用戶設備。空間星座由24顆GPS衛星組成，用戶設備主要包括GPS接收機硬件和數據處理軟件。GPS衛星向地面發射頻率為1 575.42 MHz和1 227.40 MHz的信號，GPS接收機接收信號并對其進行解算，求得衛星與接收機之間的距離，這樣在地球直角坐標系下可得如下觀測方程組：

式中：Di為各個衛星到接收機的距離；（Xi，Yi，Zi）為各個衛星的坐標；c為衛星信號的傳播速度；Ti為各個衛星的鐘差。 接收機坐標值（X0，Y0，Z0）以及接收機鐘差 T0為未知數，當GPS接收機接收到4顆或者4顆以上的衛星，式（1）的方程組可解算出以上未知數，即求得接收機的三維坐標。

GPS定位方法按照參考點的不同位置可以分為：單點定位和差分定位。單點定位的精度為米級，差分定位的精度達到厘米級，這是因為差分定位比單點定位能夠更有效地消除或減弱衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差及電離層、對流層的折射誤差等誤差。差分定位按照觀測量不同分為測碼偽距差分定位和測相偽距差分定位，測相偽距差分定位的精度要高于測碼偽距差分定位；按照數據處理方式不同分為實時處理和測后處理[1]，磁力測量工作無需實時處理數據，因此機載GPS定位系統采用測相偽距動態差分后處理的工作模式。工作模式示意圖如圖1所示。

圖1 機載差分GPS工作模式示意圖

機載GPS定位系統由兩部分組成：基準站和流動站。基準站采集雙頻GPS數據并以文本方式存儲雙頻觀測數據，流動站采集單頻GPS數據，同樣以文本方式存儲單頻觀測數據，事后將二者數據轉存至PC機，并使用商業軟件進行差分處理。該機載GPS定位系統的設計要求為：水平定位精度要求2 m，高程定位精度要求為0.5 m，數據更新率要求為10 Hz。

按照系統設計要求，基準站采用商業雙頻GPS接收機LEICA SR530 Geodetic RTK Receiver，其數據更新率最高達到10 Hz，靜態定位精度為：3 mm+0.5 ppm。流動站采用本文基于Novatel OEMV1 card設計的機載單頻GPS接收機，OEMV1 card標稱差分定位精度為0.45 m，數據更新率最高為20 Hz。單頻GPS接收機主要包括：單頻GPS天線、OEMV1 card和 PC104工控機，OEMV1 card內嵌于PC104工控機，單頻GPS天線和PC104工控機安裝于無人直升機。系統組成框圖如圖2所示。

圖2 機載GPS定位系統組成框圖

2 定位精度驗證試驗

為了驗證該機載單頻GPS定位系統的定位精度，本文進行了兩種試驗：模擬試驗和野外試驗。

處理試驗數據使用商業軟件TTC（Trimble Total Control）。 使用的星歷為 IGS（International GNSS Service）提供的軌道精度為5 cm的精密星歷。首先對觀測數據進行預處理，掃描基站和流動站觀測數據，剔除二者共同觀測時間很短的衛星和出現衛星失鎖的觀測時段，改善觀測質量[2]，然后使用TTC軟件的整周模糊度在航解算OTF（Ambiguity Resolution on the Fly）模式處理觀測數據。

模擬試驗的目的是驗證OEM板卡的標稱精度。試驗場地設在青島市內，基線長度約為150 m，模擬試驗每組數據的觀測時間約為6 h。選取其中4組數據進行分析，表1為4組數據的動態三維均方根誤差（RMS）最大值，所有歷元的經度和緯度RMS值都小于5 cm，高程RMS值都小于10 cm，優于該OEM板卡標稱定位精度。

表1 模擬試驗各組數據所有歷元三維RMS最大值表（單位：m）

野外試驗是為了驗證單頻GPS定位系統機載環境下的定位精度。試驗場地設在東營海邊，機載單頻GPS接收機以無人直升機為運動載體，移動速度在6～15 m/s范圍內，無人直升機航線為設定的磁力測線，飛行過程中，GPS基線長度在1～13 km范圍內。野外試驗每組數據為每個航次的數據，觀測時間約為40 min。同樣選取試驗中四組數據進行分析，其動態三維RMS最大值如表2所示。圖3為選取其中一組進行作圖分析，圖3（a）為該組數據所有歷元的高程值序列，圖3(b)～(d)為所有歷元的三維RMS值序列[3]。

表2 野外試驗各組數據所有歷元三維RMS最大值表（單位：m）

表2中野外試驗數據所有歷元的經緯度RMS值均小于10 cm，高程RMS值均小于50 cm，滿足磁力測量工作的要求。比較圖3（a）中高程變化趨勢與圖3(b)～(d)中三維RMS值變化趨勢可知：在飛行過程中，無人直升機起飛及爬升過程中姿態變化較大，導致三維RMS值較大。無人直升機固定高度飛行后，姿態平穩，則三維RMS值趨于穩定且幅值降低，因此可推斷無人直升機飛行姿態是影響動態高程精度的主要因素之一。

圖3 野外試驗數據高程及三維RMS值

在進行模擬試驗的過程中，存在高程值偏差較大的試驗數據，其部分歷元的高程RMS值超過0.5 m，不滿足定位精度的要求。選取其中一組進行分析如圖4所示，圖4（a）為該組數據所有歷元高程值，圖4（b）為所有歷元高程RMS值，該組數據所有歷元的位置精度因子（PDOP值）如圖5所示。

圖4 未滿足定位精度數據的高程及RMS值

圖5 未滿足定位精度數據的PDOP值

對比圖4和圖5中幅值較大的時刻可知高程值出現較大偏差的時刻、高程RMS值較大的時刻與PDOP值偏大的時刻符合，由此可推斷衛星的觀測質量是影響定位動態差分定位精度主要因素之一。試驗場地周圍建筑物對基站和流動站共同觀測衛星的信號產生遮擋，而且基站和流動站共同觀測的衛星存在升降，使觀測衛星出現失鎖現象，都會降低定位精度。因此在進行野外磁力測量工作中基站的選址應該保證飛行過程中基站和流動站共同觀測的衛星不被遮擋，同時工作時間避開觀測衛星升降的時刻。

3 結論

通過對該機載GPS定位系統進行的精度驗證試驗及試驗結果可以得出如下結論：該機載單頻GPS定位系統以無人直升機為運動載體可以完整采集動態單頻GPS數據并保存數據文件，使用TTC軟件對觀測數據進行差分處理，得到的經緯度定位精度優于10 cm，高程測量精度優于50 cm，滿足系統設計要求。因此該機載單頻GPS定位系統可應用于無人直升機海洋航空磁力測量。

[1]張峰，于海龍.飛機測高天線的設計[J].空間電子技術，2010（3）：90.

[2]姚怡，黃智剛，李銳.便攜式氣壓高度計研制及誤差修正技術研究[J].遙測遙控，2009，30（6）：48.

[3]王少云.無線電高度表靜態模擬測高試驗結果分析[J].數據采集與處理，2006，21（3）：371.

[4]周忠謨，易杰軍，周琪，等.GPS衛星測量原理與應用[M].北京：測繪出版社，1997：125-139.

[5]魏二虎，黃勁松.GPS測量操作與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2004：71.

[6] 張小紅.動態精度單點定位（PPP）的精度分析[J].全球定位系統，2006（1）：8-10.

Airborne GPS Positioning System in Unmanned Helicopter Used for Marine Aeromagnetic Survey

LIANG Guan-hui,JI Yu-qiang,SUN Qiang
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China)

Unmanned helicopter marine aeromagnetic survey needs precise location and elevation for the magnetic data.Considering the working condition and the requirement for the position accuracy,the airborne single-frequency GPS positioning system is designed.The simulation experiments and experiments on the sea have been performed.The results of experiments indicate that the airborne GPS positioning system could satisfy the accuracy requirement and could be applied to the unmanned helicopter marine aeromagnetic survey.

unmanned helicopter;single-frequency GPS;elevation

P715

A

1003-2029（2011）03-0043-04

2011-02-21

基于無人機的海洋航空磁力探測系統研制（2007AA09Z319）

梁冠輝（1985-），男，碩士研究生，主要從事系統研制開發工作。