基于無人機平臺的測控設備精度鑒定系統

周 巍，郝金明，徐兆磊，劉丙申

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州450052;2.中國人民解放軍63883部隊，河南洛陽471003)

一、引 言

測控系統完成對航天器的跟蹤測量并實施控制，同時還是飛行安全控制、指揮顯示的重要信息源，必須保持其良好性能和精度［1］。但是，由于制造工藝、設備安裝、器件老化等原因會將測量誤差引入測控設備，進而影響到測控系統的精度和可靠性［2］。因此，新研或改造的測控設備正式投入使用前，必須進行精度鑒定，以評估其是否滿足研制或改造的技術指標要求。

早期測控設備的精度鑒定主要以彈道相機或光電經緯儀等光學測量數據作為比較標準，但光學設備對氣象條件要求很高、數據處理周期長、跟蹤能力有限。同時，光學設備跟蹤目標數據時間段落較短，數據量根本無法滿足測控設備精度跟蹤范圍內精度鑒定要求。隨著衛星導航技術在經濟、軍事、科研和社會生活領域的廣泛應用，基于GPS技術的飛機校飛方式成為常用的測控設備精度鑒定方法，形成了一套符合工程應用要求的精度鑒定系統，并得到了廣泛的應用。但是，飛機校飛方法存在協調難度大、周期長、加裝過程繁瑣、效費比低等不足，難以滿足日益增長及多樣化的測控設備精度鑒定的需求。而無人機技術的迅猛發展為建立高效快捷的精度鑒定方法提供了強力技術支撐［3］。無人機校飛利用無人機平臺搭載測控合作目標和小型化GPS測量設備，通過對測控設備跟蹤數據和精度鑒定系統測量數據聯合處理分析對測控設備精度進行鑒定，與有人機校飛相比，具有較強的適應性與生存力。本文探討了無人機校飛精度鑒定系統的組成、工作模式及精度鑒定方法，通過實際飛行試驗實現了完整的精度鑒定流程，并分析了無人機平臺用于測控設備精度鑒定的可行性及試驗效果。

二、系統組成

無人機校飛精度鑒定系統由無人機分系統、任務載荷分系統、指揮監控分系統、地面測量分系統、數據處理分系統5部分組成，如圖1所示。

圖1 基于無人機平臺的測控設備精度鑒定系統組成

1.無人機分系統

2.任務載荷分系統

任務載荷分系統主要包含校飛任務所需的機載高精度GPS測量設備和測控設備合作目標，如應答機、信標機、點光源等。

3.指揮監控分系統

指揮監控分系統由無人機監控分系統和地面航顯分系統組成。無人機監控分系統利用無人機自身飛控系統中的導航設備及各傳感器的信息輸出，監測并記錄無人機的工作狀態參數，顯示無人機飛行航跡，并發出控制指令完成無人機的穩定飛行和安全回收［5］;地面航顯分系統通過數據傳輸設備接收機載GPS測量設備實時輸出的高精度定位測速信息，為用戶提供航顯信息［6］。

4.地面測量分系統

地面測量分系統由實時差分基準站和事后差分基準站組成。實時差分基準站完成GPS數據采集，通過上行鏈路為機載GPS測量設備提供差分信息;事后差分基準站與機載GPS測量設備進行同步觀測，完成基準站GPS原始觀測數據采集和存儲，為事后數據處理提供數據要素。

5.數據處理分系統

數據處理分系統能夠對錄取的機載GPS接收機和事后差分基準站的原始觀測數據進行事后載波相位差分解算，提供測控設備精度鑒定所需的比對標準數據。

三、應用模式

根據試驗需求，無人機校飛精度鑒定系統利用無人機平臺搭載測控合作目標和小型化精度鑒定設備，通過對測控設備跟蹤數據和精度鑒定系統測量數據進行聯合處理分析，實現對被鑒設備的精度評定。

操作員根據任務規劃的航路控制無人機飛行，機載GPS測量設備則接收地面實時差分基準站差分改正信息完成實時差分，并將解算結果下傳至地面航顯指揮分系統，實現飛行目標監控、快速比對和地面測控設備引導;通過事后綜合數據處理，提供鑒定比對標準數據，實現對測控設備精度的分析和評定。典型應用模式如圖2所示。

圖2 無人機校飛精度鑒定系統應用模式

四、精度鑒定方法研究

1.GPS載波相位動態相對定位原理

測控設備精度鑒定首先需要獲取高精度標準比對數據，該數據是利用系統的無人機平臺搭載GPS測量設備并與地面基準站進行載波相位相對定位解算來獲取的。基準站i與機載站k對GPS衛星j、n進行同步觀測，構成雙差載波相位觀測值并線性化表示為［7］

表示為矩陣形式為

采用卡爾曼濾波數據處理模型，其狀態方程為

箭豬坡礦床的成礦作用受斷裂活動、巖漿作用及地層巖性等因素控制，礦床形成均與花崗巖晚期階段有關，為受構造裂隙控制的巖漿期后低溫熱液充填型脈狀鉛鋅銻礦床。礦區中主要工業礦脈礦化較穩定，礦脈的傾向延伸和SN走向延長還未完全控制。隨著深度的增加，元素組合出現變化，在礦區的深部隱伏巖體附近存在層狀礦化體。

對應的觀測方程為

式中，Xk=δRk。

卡爾曼濾波遞推方程式為

2.評定方法

測控設備精度評定的方法可簡要地概括為：以無人機搭載的GPS系統定位結果為標準參考坐標，然后通過與測控設備定位數據的測量結果進行對比，得到測控設備的性能和精度，以研究其誤差變化的規律。評定方法分為以下幾個步驟［8］：

1)利用無人機搭載的GPS和地面基準站獲取定位數據，利用載波相位相對定位數據處理，得到無人機軌跡的最佳估計。

2)對測控設備和GPS設備進行時間校正，并統一到同一時間系統下。

3)坐標變換，把目標參考坐標轉換為方向角α、仰角β和斜距R。

4)對測控設備數據和參考數據進行對比，得出各個時刻的誤差 δα、δβ、δR。

5)分析系統誤差和隨機誤差，研究測控設備的誤差變化規律，得到精度評定結果。

五、試驗分析

采用基于無人機平臺的測控設備精度鑒定系統實際飛行數據，以航向穩定度、橫傾穩定度、俯仰穩定度為例對無人機平臺的性能進行分析，如圖3～圖5所示，并將均值及均方根誤差進行統計，見表1。各項指標表明，無人機平臺能夠為任務載荷提供飛行條件，并完成測控設備精度鑒定中標準數據的獲取。

圖3 航向穩定度曲線

圖4 橫傾穩定度曲線

圖5 俯仰穩定度曲線

表1 俯仰穩定度曲線 (°)

由于無人機載荷能力及任務艙設備加裝空間的限制，精度鑒定任務中機載GPS測量設備應選用小型化GPS接收機及天線。對實際飛行數據分析發現，接收機工作穩定，未出現衛星失鎖現象，并獲取了完整的無人機飛行軌跡，如圖6所示。經載波相位動態相對定位解算后，對各歷元定位結果的標準偏差統計如圖7和表2所示。結果表明：系統基于GPS載波相位動態相對定位技術，能夠獲得厘米級的動態定位精度，高出測控設備定位精度數倍，完全可以作為標準參考值用來對測控設備是否合格進行評定。

圖6 飛行航跡

圖7 定位結果標準偏差

表2 定位結果標準偏差統計m

六、結束語

本文探討了基于無人機平臺的測控設備精度鑒定系統的組成、工作模式及鑒定方法，通過實際飛行試驗實現了完整任務流程，并分析了試驗效果。結果表明，無人機平臺能夠為任務載荷提供良好的飛行條件，而且其具有價格便宜、操作簡單、機動性強、測量周期短、應用范圍廣等優點，極大地縮減了試驗成本、擴展了應用區域;系統中無人機搭載的小型化GPS接收機工作穩定，能夠提供高精度標準數據。無人機校飛精度鑒定系統為實現對測控設備的精度鑒定提供了一種新的高效快捷的解決方案。

［1］解海中，張守信，董緒榮.航天測控設備GPS精度鑒定方法研究［J］.指揮技術學院學報，1999，10(3)：30-34.

［2］武紅霞.雷達動態性能檢驗和精度鑒定方法［D］.南京：南京理工大學，2008.

［3］FAHLSTROM P G，GLEASON T J.無人機系統導論［M］.北京：電子工業出版社，2003.

［4］姜楊，薛艷峰，陳劍濤.某型無人機飛控系統設計與實現［J］.計算機測量與控制，2009，17(5)：911-913.

［5］李蕓.面向小型無人機的空地數據鏈系統研究［D］.西安：西北工業大學，2005.

［6］王靜.無人機地面綜合顯示系統的研究［D］.南京：南京航空航天大學，2004.

［7］張守信.GPS衛星測量定位理論與應用［M］長沙：國防科技大學出版社，I996.

［8］晉志普，陸文娟，朱紀洪，等.用無人機GPS系統對雷達進行精度評定的方法［J］.清華大學學報，2001，41(9)：40-43.