受閱地面裝備方隊訓練考核系統的設計與實現

周晶晶，徐友春，彭永勝，李建市

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系，安徽 蚌埠 233011； 3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

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● 基礎科學與技術Basic Science & Technology

受閱地面裝備方隊訓練考核系統的設計與實現

周晶晶1，2，徐友春3，彭永勝3，李建市3

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系，安徽 蚌埠 233011； 3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

為滿足閱兵地面裝備方隊在行駛過程中必須遵循等速、騎線、標齊和卡距等要求，利用北斗實時動態差分定位和WIFI無線通信技術，設計了受閱地面裝備方隊的訓練考核系統。利用北斗衛星定位和實時動態差分原理，構建車輛模型及地圖模型，解算出等速、騎線、標齊和卡距等參數。最后通過軟件處理后，將參數實時顯示于車載端平板電腦上；利用無線通信把計算結果實時傳輸到方隊指揮中心，實現遠程監控和訓練考核。

訓練考核系統；北斗實時動態差分；無線通信

為紀念抗日戰爭勝利70周年，我國于2015年9月3日在天安門廣場舉行閱兵活動。為保障各閱兵裝備方隊的訓練效果，同時給閱兵聯合指揮部提供一種科學的考核手段，原總參作戰部與總后軍交運輸部牽頭，召集第一測繪導航基地、軍事交通學院、衛星導航定位總站等單位，聯合研制一套基于北斗實時動態差分(beidou system real time kinematic，BDS_RTK)定位和無線通信技術的閱兵裝備方隊訓練與考核系統。訓練系統主要對車輛方隊的標齊、騎線、卡距、等速等要素進行考核。考核標準為：①標齊(同排面車輛的前后對齊程度)。同一排面的車標齊行駛，以基車為標準，僚車控制在±10 cm以內為合格。②騎線(車輛縱向沿直線行駛時左右偏差的程度)。以地上白(黃)實線為基準，左右偏差控制在±5 cm以內為合格。③卡距(基車前后之間保持的距離)。基車與引導車之間距離控制±50 cm內為合格。④等速(車輛勻速行駛控制的準確性)。在100 m范圍內車速始終控制在10 km/h，折算為時間36 s，時間偏差控制在±0.15 s為合格。

在2009年國慶60周年閱兵時，方隊訓練采用基于機器視覺或激光的閱兵訓練考核系統[1]。機器視覺訓考系統主要存在以下問題：①等速和標齊測量精度受車輛抖動、姿態等因素影響很大，誤差大；②受天氣影響大，雨天、霧天、夜晚無法訓練；③調試過程復雜，系統可靠性、穩定性不高；④技術保障工作量大，激光訓考系統也存在著無法測量騎線功能，激光測量陣列的調試較繁瑣，雨雪天氣時無法訓練及轉移，保存時容易損壞等問題。

針對以上問顆，為滿足閱兵訓練和考核要求，本文設計了基于BDS_RTK的北斗精確定位的訓練考核系統，以輔助閱兵訓練和考評。

1　訓練考核系統的組成

整個訓練與考核系統由BDS_RTK測量系統、車載應用分系統、方隊指揮中心應用分系統、聯合指揮部應用分系統、數據中心和無線數據傳輸系統等部分組成。RTK測量系統采用上海司南和北京星網宇達兩個廠家的設備，WIFI傳輸設備采用2.4 GHz和5.8 GHz兩種頻率的設備。其中2.4 GHz的WIFI設備適用于無車載平板電腦的系統，5.8 GHz的WIFI設備適用于有車載平板電腦的系統。本文主要介紹5.8 GHz WIFI有車載平板電腦的訓考系統。

本次閱兵29個地面方隊(27個地面裝備方隊和2個乘車方隊)，規則方隊的隊形為“2+4×4”，即2臺引導車，16臺跟隨車(少數特殊方隊隊形除外)。方隊隊形、方隊指揮中心與聯合指揮中心組成如圖1所示。

圖1　方隊隊形、方隊指揮所與聯合指揮部組成示意

圖中：i-00j(i=1,2，…，29;j=1,2)為第i方隊引導車(i-001為基車引導車)；i-k02(i=1,2，…，29;k=1,2,3,4)為第i方隊第k排面基準車(基車跟隨車)；其他車輛為僚車。i-002向i-001標齊，本排面僚車向本排面基準車標齊；后方基準車和前方基準車之間距離為卡距，后一方隊的引導車001和前一方隊的基準車402之間距離為方距； 所有車輛沿地面白(黃)實線騎線行駛，控制車速(等速)。方隊指揮所可以監控本方隊所有車輛的標齊、騎線、等速和卡距(方距)信息；聯合指揮部可以監控所有方隊車輛的標齊、騎線、等速和卡距(方距)信息。

1.1RTK測量系統

RTK測量系統由基準站、移動站和數傳電臺3部分組成。基站架設在訓練場空曠無遮擋的適當位置，其電臺廣播最高波特率不低于19 200 bps，覆蓋距離在無遮擋情況下可達10 km。移動站設置在每臺車輛裝備上，數據通過串口輸出，最高波特率不低于115 200 bps。采用上海司南導航和北京星網宇達公司的衛星接收機，其定位精度均小于2 (CEP)，輸出數據包括時間、經度、緯度、速度(東、北)、航向等。

1.2車載應用分系統

車載應用分系統包括硬件系統和軟件系統。硬件系統由車載平板電腦、穩壓電源等設備組成。對于車載端，根據引導車、基車和僚車功能不同，需分別開發車載應用分系統軟件。

(1)基車引導車軟件。基車引導車是第一排面的基車，是整個方隊的核心基準。需要計算和顯示的參數有等速、騎線和方距(第一方隊沒有方距)。

(2)基車跟隨車軟件。基車跟隨車是基車引導車后面的基車。需要計算和顯示的參數有等速、騎線和卡距。

(3)僚車軟件。僚車以基車為基準標齊。需要計算和顯示的參數有等速、騎線和標齊。

規則方隊和特殊方隊各車軟件不同，需分別開發。

1.3方隊指揮所應用分系統

方隊指揮所應用分系統由計算機、WIFI通信設備、UPS電源等設備組成。方隊指揮所軟件負責單個方隊的實時訓練情況監控，其內容包括無線數據傳輸、各車和方隊成績計算與圖形顯示、數據庫、歷史數據分析和曲線繪制等內容。方隊指揮所存儲的數據量相對較小，采用Access數據庫保存。不規則方隊指揮所軟件單獨開發。

1.4聯合指揮部應用分系統

聯合指揮部考核軟件負責多個方隊的考核工作，其內容包括無線數據傳輸、各車和方隊成績計算與圖形顯示、方隊歷史成績查詢和分析等內容。聯合指揮部考核軟件能自動識別規則編隊和特殊編隊，根據相應的編隊形式進行不同的處理。

2　BDS_RTK訓練考核系統的基本原理

2.1BDS_RTK定位原理

RTK是實時動態測量的簡稱。BDS_RTK定位原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于流動站上，基準站和流動站接收同一時間、同一北斗衛星發射的信號，基準站實時將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準站坐標等無線傳送給運動中的流動站，流動站通過接收基準站所發射的信息，將載波相位觀測值實時進行差分處理，得到基準站和流動站的基線向量(ΔΧ，ΔY，ΔΖ)。基線向量加上基準站坐標得到流動站每個點的大地坐標，通過坐標轉換得到流動站每個點的坐標。只要能保持4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果[2]。

設在t0時刻測得基站A相對于衛星s的載波相位觀測為

(1)

(2)

2.2BDS_RTK定位誤差及處理方法

BDS_RTK誤差主要包括以下幾個方面:與衛星有關的誤差、與衛星信號的傳播過程有關的誤差以及與RTK接收設備有關的誤差等。與衛星有關的誤差主要有星歷誤差、衛星鐘差、相對論效應；與衛星信號傳播途徑有關的誤差主要有電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、多路徑效應；與接收設備有關的誤差主要有RTK接收機鐘差、RTK天線相位中心偏差、通道間的延遲誤差。此外，地球自轉、地球潮汐、軟件模型誤差等也是影響RTK測量結果的誤差源。

通常上述誤差絕大部分在RTK測量時，已通過模型改正或作業方式消除或者消弱，但一小部分誤差不能通過模型改正或者作業方式消弱。本設計中，基準站與流動站之間的距離為幾千米。在這樣的距離情況下，由衛星至兩點觀測站電磁波傳播路徑上的大氣狀況甚為相似，因此基準站與流動站所受到的電離層誤差、對流層誤差影響均可通過差分得以消除。

3　BDS_RTK訓練考核系統的實現

3.1地圖與車輛建模

(1)地圖建模。訓練場長為gkm，寬為hkm，每隔3 m寬劃分一條車道，共14條白(黃)車道線，每條車道線寬10 cm。

地圖構建過程如下：在第1條車道線選擇兩個測量點M1、M2，第14條車道線選擇一個測量點M3，從M3通過向M1、M2的直線作垂線，建立地圖坐標系(如圖2所示)。

圖2　地圖建模示意

由于車道線彎曲(實測發現每條跑道都不是標準直線，車道線兩端偏差有5 cm左右)，如果把車道線視為直線模型，會帶來較大誤差。故將車道線轉化為折線模型：每條車道線每隔10 m選擇一個測量點，測量點選擇在車道線的正中間，共選擇N個測量點。用RTK設備測量每一個點的大地坐標(L，B)，之后將各點的大地坐標(L，B)轉化為平面直角坐標(x，y)。L、B分別為大地經度、大地緯度；a、e、f分別為地球橢球長半軸、偏心率和扁率。BDS采用CGCS2000橢球模型，a=6 378 137 m，f=1/298.257 222 101，e2=2f-f2[3]。

選用6°高斯投影帶，以北京昌平兩點的大地坐標為例，經度分布在111°～117°之間，故可采用第19、第20投影帶。6°高斯投影帶算例見表1。

表1　6°高斯投影帶算例

(2)車輛建模。測量車輛的長、寬、高，分別記為a、b、c(單位：m)。由于車輛結構設計不一，以及不能使北斗天線受到遮擋，北斗天線不一定能夠放在車頭車尾的正中間位置。假設北斗主天線(定位天線)位置A1點，從天線(定向天線)A2點，車頭中心點P1，車尾中心點P2。以A1到A2的矢量為Y軸，以A1點為坐標原點，建立符合右手法則的車輛坐標系(如圖3所示)。

圖3　車輛建模示意

(3)車輛標定。車輛標定主要是利用北斗RTK測量設備精確測量車頭車尾中心位置相對于主天線的偏移量(圖3中的A1P1、A2P2)。將車輛停放在訓練場水平地面上，將北斗天線水平放置在車輛的適當位置(盡量不要遮擋天線)，并標記好天線在車輛上的位置。檢查報文設備定位狀態，差分后進行預標定。觀察預標定的坐標值和航向信息，若正常，將天線放在車頭中心，與地面垂直，待接收機顯示狀態正常后，進行車前標定。按照相同方法進行車后標定，最后記錄標定參數。

(4)坐標轉換。所有的坐標都需要統一到地圖坐標系中。設地圖坐標系與車輛坐標系的縱軸與正北方向的夾角(航向角)分別為α、β。車輛進入地圖坐標系后，首先將北斗天線A1、A2點大地坐標轉換為地圖坐標(a1,b1)、(a2,b2)，設車頭中心點P1在地圖坐標系中的坐標為 (x1,y1)，如圖4所示。通過式(4)可以計算出車頭中心點在地圖坐標系中的坐標(x1,y1)，用同樣的方法計算車尾中心點坐標(x2,y2)。

(4)

圖4　坐標計算

3.2車輛實時參數計算與修正

(1)參數計算。訓練考核系統4個參數：標齊、騎線、卡距(方距)、等速。不同車輛類型需計算的參數見表2。

表2　車輛類型對應參數

每輛車都要計算騎線和等速。計算騎線時，將車頭中心點的橫坐標與地圖中每條車道線的橫坐標進行比較，找到此刻離車輛最近的車道線進行匹配，計算出偏差ΔQ。ΔQ為負值時表示車輛此刻偏離本車道線的左側；ΔQ為正值時表示車輛此刻偏離本車道線的右側。北斗接收機輸出車輛速度信息，可直接作為等速參數使用。

基車引導車計算方距時，計算本車車頭中心點與前一方隊基準車402的P2之間的距離，作為方距。僚車引導車向基車引導車標齊，1僚車、2僚車都向基準車標齊，3僚車向2僚車標齊。實驗證明，在空曠的訓練場地，等速誤差為0.001 km/h，騎線、標齊，卡距、方距誤差為0.02 m，滿足訓練精度要求。

(2)參數誤差的修正。由于存在2．2中的誤差，地圖采集誤差及標定誤差等因素，系統不可避免的存在誤差，因此初始化時必須進行修正。將方隊車輛停放整齊并校準后，通過軟件進行修正。根據“先修基車、后修僚車”的原則進行初始參數修正。當騎線參數大于20 cm，卡距參數大于200 cm，標齊參數大于100 cm時，程序認為此時車輛未停放到位，不允許修正；因誤操作等原因導致數據偏差確實大于修正限制允許范圍時，可以在車輛停放到位后，對修正值一鍵還原后再修正。

由于實際訓練場道路有一定的傾斜，并考慮車輛高度帶來的誤差，在車輛行進中引入lateral_modify_ns、VehHeightPara、lateral_k三個參數，分別修正車道傾斜誤差、車輛高度誤差、修正系數誤差。當數據出現丟失或延遲時，可以通過歷史數據的推算方法推算車輛當前位置，然后計算標齊、卡距(方距)值。

3.3無線通信模塊

根據車輛裝備方隊閱兵訓練場地具體情況，要想實現對整個方隊車輛的各參數實時獲取，必須采用具有較高可靠性的無線局域網系統。方隊主要通信設備有多倍通AP(access point)、多倍通Station、WiFi天線、平板電腦(無線模塊)、電源。無線通信處于5.8 GHz頻段，通信距離的典型值約為10 km。AP天線雙極子全向天線，20 dBi天線增益。車載AP功率強，有效傳輸距離約為500～600 m，供電電壓12 V，使用供電、數據一體模塊連接。

方隊AP相當于路由器，組成方隊無線網絡，方隊平板電腦相當于終端接入方隊網絡。為提高聯網效果，方隊AP一般放在本方隊第二排面的基準車上，聯指AP放在各方隊中心適當位置。按照車輛在方隊中的位置，為每個平板電腦設置IP地址。引導車為001、002，而后按照一定的規則依次設置IP地址。考慮安全保密因素，在無線連接中設置了網絡密鑰鑰匙。

3.4軟件實現

BDS_ RTK訓練考核系統軟件分為單車車載軟件、方指軟件、聯指軟件。

(1)車載軟件。主要功能是修正初始誤差；計算騎線、標齊、卡距(方距)以及等速參數，顯示車輛的實時位置及偏差，為駕駛員駕駛裝備提供參考。所有車輛通過WIFI模塊將本車定位信息在無線局域網內進行廣播，各車讀取本車所需的信息進行參數計算。

(2)方指軟件。包括3個子系統：遠程控制子系統、全景監控子系統、考核訓練子系統。遠程控制子系統可以實現在方隊指揮所遠程操控本方隊每一臺車上的車載計算機，可以不停止訓練遠程安裝、調試軟件，修正參數；全景監控子系統可以觀察本方隊所有車輛的實時位置，查看所有車輛的編號、等速、騎線、標齊/卡距等信息；考核訓練子系統可以顯示參與考核訓練的車輛綜合信息、單車和方隊考試成績及成績曲線圖等。

上文獲取的騎線、標齊、卡距(方距)以及等速參數經車載端應用程序處理后，通過無線局域網傳輸到方指計算機中，實時顯示并存儲于訓練考核系統軟件數據庫中，歷史數據可查詢，供方隊指揮員遠程監測、分析和管理。

(3)聯指軟件。包括聯指全景監控和聯指考核訓練兩個子系統。聯指全景監控子系統可以觀察所有方隊、所有車輛的實時位置，查看方隊編號、車輛編號、等速、騎線、標齊/卡距等信息；考核訓子練系統可以顯示各參與考核訓練的方隊綜合考核信息，可以設置各考核參數不同權重，例如等速權重0.3、騎線權重0.3、標齊/卡距權重0.4，各方隊車輛各項成績按照所設置的權重加權平均，計算所有參考方隊的考核分數。考核結束時，聯指考核訓練子系統按照排名順序給出各方隊的考核成績。

4　結　語

本文設計的閱兵地面裝備方隊訓練考核系統融合了北斗導航RTK定位技術、無線局域網等關鍵技術，實踐證明系統的可靠性較高。車載應用系統能有效地幫助駕駛員控制等速，實時修正騎線和標齊誤差;方隊指揮所訓練考核系統實現了訓練指揮信息化，指揮員在指揮所能實時掌握整個方隊的訓練情況，并可以進行科學統計分析；聯合指揮部可以組織所有方隊按預案進行大聯考，實時監控、掌握所有方隊的訓練情況。考核系統解決了舊系統測量誤差大、受天氣影響大、技術保障工作量大等問題，有效地提高了方隊的訓練效果。

[1]袁一,李偉,張軍，等.基于機器視覺和無線通信的閱兵車輛裝備方隊訓練考核系統設計與實現[J].軍事交通學院學報，2010,12(2):50-53.

[2]吳北平.GPS網絡RTK定位原理與數學模型研究[D].武漢:中國地質大學,2003.

[3]許承東,李懷建,張鵬飛，等.GNSS數學仿真原理及系統實現[M].北京:中國宇航出版社,2014:23.

[4]王威.導航定位基礎[M].北京:科學出版社,2015：153.

(編輯：史海英)

Design and Realization of Training and Assessing System for Ground Armament Formations on the Base of BDS_RTK and Wireless Communication Technology

ZHOU Jingjing1, 2, XU Youchun3, PENG Yongsheng3, LI Jianshi3

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011，China;3.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In military parade, the ground armament formations must meet the requirements in terms of constant velocity, longitudinal aligning, lateral aligning and the distance between reference vehicles. The training and assessing system for ground armament formations is designed on the base of BDS_RTK positioning and wireless communication technology, and the vehicle and map models are built on the base of Beidou satellite positioning and RIK differential principle, according to which the constant velocity, longitudinal aligning, lateral aligning and the distance between reference vehicles are calculated. Processed in a software, these parameters are displayed real time on the vehicle terminal computer, which transmits the calculated results via wireless communication to the command center of the formations. The remote monitoring, training and assessing are thus realized.

training and assessing system; beidou system real time kinematic(BDS_RTK); wireless communication

2015-10-23；

2016-04-26．

國家自然科學基金項目(91120306、91220301)；天津市自然科學基金項目(14JCQNJC01600).

周晶晶(1986—)，男，碩士研究生；

徐友春(1972—)，男，博士，教授，博士研究生導師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.07.019

U471.15

A

1674-2192(2016)07- 0081- 06