地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS偽距差分測量系統的應用研究

第31卷第5期飛機設計Vol 31 No 52011年10月AIRCRAFT DESIGNOct 2011文章編號:1673-4599(2011)05-006404地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS偽距差分測量系統的應用研究劉軍,潘文瀚2(1.海軍駐沈陽(yáng)地區航空軍代表室,遼寧沈陽(yáng)110034(2沈陽(yáng)飛機工業(yè)(集團)有限公司,遼寧沈陽(yáng)110034)摘要:地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS差分高精度測量系統是當代飛機飛行試驗中解決火控系統標校、測控系統校飛或導彈武器系統精度試驗等問(wèn)題的有效手段,是地空靶場(chǎng)測控系統的重要組成部分。本文基于偽距觀(guān)測量的GPS實(shí)時(shí)差分定位的原理以及對數學(xué)模型的分析,論述了將GPS實(shí)時(shí)定位技術(shù)應用于地空靶場(chǎng)中機載或彈載導航系統的實(shí)現方法。文中詳細的規劃了基準站和移動(dòng)站以及它們之間實(shí)時(shí)互訪(fǎng)的構建方案。關(guān)鍵詞:差分GPS(DCFS);實(shí)時(shí)測量;偽距;地空靶場(chǎng)試驗中圖分類(lèi)號:V264.3文獻標識碼:AStudying about application of Real Time GPs Measuring Systemby False Distance in the Shooting Range of Ground and SkyLIU Jun Pan Wen-han(1. Aeronautical Military Commissary Office of Navy in Shengyang RegionShenyang 110034, China(2. Shenyang Aircraft Industries( group)Co. Ltd, Shenyang 110034, ChinaAbstract The real time differential GPS measuring system in the shooting range of ground and sky isthe valid instrument for solving the problem for example marking the system of firepower controling,flying checking about the system of measuring and controlling or the precision test of missilesystem, and is the important composition in system of measuring and controlling of the shootingrange of ground and sky. This design and fabrication introduces the way of realization of using thetechnology of GPs real time positioning in the system of navigation carried by airplane or missile inthe shooting range of ground and sky based on the principle of real time GPS measuring system byfalse distance in the shooting range of ground and sky and also the analyzing of maths model. Layoutthe project of building the fiducial station and movement station and also real time exchange visitsbetween themKey words: differential GPS( DGPS ) real time measing; false distance test about shooting rangeof ground and sky現代地空靶場(chǎng)試驗中經(jīng)常完成以下測量任測量設備精度驗收、火控系統的標校和測控系統務(wù):導彈武器系統精度試驗、空中靶標測量的校飛。這些項目要求本系統既能夠對飛機、標收稿日期:201008-31;修訂日期:2011-07-13劉軍等:地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS偽距差分測量系統的應用研究靶等動(dòng)態(tài)目標髙精度定位,又作為髙精度位置基要求不高,可以忽略不計。忽略衛星星歷的誤準對靶場(chǎng)其它測量設備進(jìn)行精度檢測,同時(shí)還具差,將由廣播星歷所得的衛星坐標作為已知值有強大的信息實(shí)時(shí)處理、事后處理和傳輸通訊能由上述改正之后,式(1)中的未知數只有測站坐力。地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS差分高精度測量系統是解標x,y,z和接收機鐘差,則只需觀(guān)測4顆衛星就決以上問(wèn)題的有效手段,是地空靶場(chǎng)測控系統的可解出這4個(gè)未知數。將觀(guān)測方程繞測點(diǎn)近似坐標重要組成部分。本文采用測碼偽距觀(guān)測量進(jìn)行實(shí)進(jìn)行線(xiàn)性化,將觀(guān)測歷元所有的觀(guān)測量寫(xiě)成矩陣時(shí)GPS定位。偽距單點(diǎn)定位精度較低,使用P碼形式(或Y碼)的精密定位服務(wù)(PPS),只有美國軍L +V=AX(4)方及特許用戶(hù)使用。使用C/A碼的標準定位服務(wù)式中:L為觀(guān)測值向量;V為改正數向量;X為未(SPs),精度在30m左右。美國為自身的安全利知數向量(XYZ6T);A為相應的系數矩陣。設所益,采取選擇可用性政策(SA),利用CA碼的平有的偽距觀(guān)測量為等精度,權陣設為單位陣。面定位精度降到約100m,垂直誤差約150m,使當觀(guān)測量n<4時(shí),無(wú)解;許多導航定位不能采用C/A碼偽距單點(diǎn)定位技術(shù)。n=4時(shí),有唯一解X=AL為提高定位精度,必須采用差分定位技術(shù),因為m>4時(shí),有最小二乘解X=(AA)ALSA政策對差分法可認為沒(méi)有影響,因而基于偽距當測站坐標的初始值誤差較大時(shí),可采用迭觀(guān)測值的差分法定位,近年來(lái)成為國內外研究的代法求解。課題。22實(shí)時(shí)差分法動(dòng)態(tài)定位動(dòng)態(tài)相對定位是采用2臺GPS接收機。一臺接2動(dòng)態(tài)定位的數學(xué)模型收機在已知點(diǎn)上固定,稱(chēng)為參考站;一臺接收機21單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位安置在運動(dòng)載體上,稱(chēng)為流動(dòng)站。參考站和流動(dòng)GPS定位的原理可敘述如下。將運動(dòng)的衛星站同步觀(guān)測視場(chǎng)中的衛星,確定流動(dòng)站與參考站作為已知點(diǎn)。設T為衛星發(fā)射信號時(shí)的理想GPS之間的瞬時(shí)位置。具體實(shí)現DPS有4種方法:時(shí)刻;T為接收機收到信號的GPS時(shí)刻;ST為接①基準站發(fā)播偽距校正,在流動(dòng)站上處理;收機時(shí)鐘誤差;67為衛星時(shí)鐘誤差;則考慮鐘差③基準站發(fā)播位置校正,在流動(dòng)站上處理的傳播時(shí)間為:③用戶(hù)粗測偽距值送基準站,在基準站進(jìn)行△=(768+7)-(Tms+67“)=(T-Tm)+8T6-67°差分處理再考慮電離層折射對測距的影響δ和對流層④用戶(hù)未校正的位置數據送基準站,在基準折射對測距的影響6,最后得衛星至接收機的偽站進(jìn)行差分處理。距為我們選擇了第1種實(shí)現方式。動(dòng)態(tài)相對定位P=C·(7-Tas)+C.0-C.8°+80、(1)用偽距差分的形式。由基準站已知的wcS-84坐一般有位置差分和偽距差分兩種形式。本文采6e=P+C·δTb-C·T+e1+6式中:P為衛星至接收機的幾何距離:標,計算觀(guān)測歷元測站與GPS衛星的距離與其實(shí)P=√Xn-x)2+(xn-12+(z,-Z)2(2)際觀(guān)測的偽距觀(guān)測量之差,從而得一偽距改正量,將偽距改正量實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站,修正流動(dòng)衛星在觀(guān)測瞬時(shí)的坐標按廣播星歷計算;衛星時(shí)鐘誤差也可利用廣播星歷計算:站所測的偽距,得流動(dòng)站偽距觀(guān)測方程為δ7"=a0+a1(t-o)+a2(t-tax)(3)P,-4p=√(x,-X)3+(n-y)2+(z,-2z)C*M(5)式中:a為GPS衛星鐘與GPS時(shí)間的鐘差;a為式中:△為基準站與流動(dòng)站接收機時(shí)鐘偏差之鐘速;a2為鐘漂;t為廣播星歷的星鐘參數參考差。若基準站與流動(dòng)站同步觀(guān)測的相同衛星數大歷元,這些均可由導航電文中提取。電離層改正于等于4,即可求解流動(dòng)站的位置,求解方法與單一般可采用導航電文所提供的電離層模型加以改點(diǎn)定位相同。利用差分模型,消除了星鐘誤差,正。對流層的影響可采用各種改正模型如 Hopfield在不大的范圍內,還可明顯削弱星歷誤差和對流層模型、 Saatamoinen模型等加以改正。如定位精度及電離層時(shí)延誤差,顯著(zhù)提高動(dòng)態(tài)定位的精度飛機設計第31卷3應用系統總體構成及原理分基準站、流動(dòng)彈載差分設備和配套軟件等組地空靶場(chǎng)動(dòng)態(tài)GPS差分高精度測量系統由差成。系統組成原理圖如圖1所示。圓極化天線(xiàn)機載站機載站2線(xiàn)極化天線(xiàn)數據回傳數據回傳航空UHF天線(xiàn)播發(fā)差分數據遙測天線(xiàn)固定差分測量活動(dòng)差分測量活動(dòng)差分測量綜合處理站指控中心綜合處理站1綜合處理站2基地多目標測控網(wǎng)圖1系統組成原理圖31基準站(地面)b.地面站數據電臺接收從彈載臺傳來(lái)的位3.1.1系統功能置、速度和航向的結果信息并實(shí)時(shí)存儲?；鶞收局饕猛臼菫楸粶y目標提供RTCM標c.在地空靶場(chǎng)的電子地圖上,實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)準差分信息,并接收目標回傳的定位信息;同時(shí)彈載目標航跡及位置、速度、時(shí)間等信息記錄GPS原始信息,進(jìn)行事后解算;進(jìn)行多種數d.本系統中兩個(gè)彈載的原始數據存儲在數據據格式轉換,并把處理后的數據送到指控中心記錄器上,在進(jìn)行事后數據處理時(shí),事后處理計完成測量數據精確計算,給出測量結果和精度范算機通過(guò)數據記錄器讀取這些數據。圍;實(shí)時(shí)顯示被測目標的位置信息、電子地圖背e.數據處理結果可以存儲在本地硬盤(pán)上,也景下的運動(dòng)軌跡和其他相關(guān)參數?？梢酝ㄟ^(guò)以太網(wǎng)接口或標準串口向其它設備傳輸。a.基準站雙頻接收機接收衛星信號,其信息f.可將試驗狀態(tài)信息通過(guò)靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )傳輸到指分兩路,一路送計算機進(jìn)行記錄,供事后處理使挖中心用。另一路形成偽距和載波相位差分信息,通過(guò)g.系統設備具有自檢功能,并通過(guò)指示燈表中心控制處理設備,按規定時(shí)隙送到數據電臺,明工作狀態(tài)。發(fā)往彈載目標。3.12組成原理組成原理如圖2所示。GPS接收機AC/DC中央控制單元HX36000局域網(wǎng)HX3600220V計算機網(wǎng)絡(luò )供電畫(huà)MOXA串口卡數據處理計算機顯示處理計算機圖2基準站組成原理第5期劉軍等:地空靶場(chǎng)實(shí)時(shí)GPS偽距差分測量系統的應用研究673.2流動(dòng)站(彈載323設備結構321組成原理彈載設備安裝于特定彈殼內。整體設備加裝彈載設備由GPS接收機、航空型GPS天線(xiàn)、在一個(gè)長(cháng)的丁字金屬板上,分為左右兩個(gè)部分,中心處理器、HX3600電臺、記錄器、航空型專(zhuān)用其中右半部分(彈頭方向)為固定結構,左半部分UHF天線(xiàn)和高能電池組成,共配置2套。為快裝結構。如圖4所示。彈載設備用來(lái)記錄GPS原始信息或解算出定位數據,并通過(guò)數傳鏈路發(fā)送給地面基準站,其電臺主要組成如圖3所示。=1此部分為可推拉結構此部分為固定結構圖4彈載設備結構HX3600記錄器與電池組安裝在右推拉的快裝結構件上,使用時(shí)沿著(zhù)滑道推進(jìn)去即可。在下載數據或數據電池電池需要充電時(shí)可整體拉出。圖3彈載設備組成原理324整體加裝加裝設備包括機盒一套、GPS天線(xiàn)、數傳電臺天線(xiàn)各一套。GPS天線(xiàn)安裝在彈體上部,便于a.GPS接收機接收衛星信號;數傳天線(xiàn)安裝在彈體下部,便于Javad雙頻20Hz接收機,主要完成GPS衛星的與地面電臺通訊,如圖5所示。跟蹤、鎖定、解算并給出原始數據和導航結果。b.中心控制單元此部分為此部分為可處理GPS定位數據、打包形成的標準的數據G天線(xiàn)固定結構推拉結構格式,并在合適的時(shí)序傳給電臺,最終發(fā)送到地面記永器c.GPS天線(xiàn)UHF天線(xiàn)航空型GPS雙頻天線(xiàn)。圖5彈載設備加裝d.數據記錄器4結束語(yǔ)保存GPS原始數據,用于事后的高精度解算實(shí)測數據統計結果表明,定位精度和速度e.數傳系統精度指標可以滿(mǎn)足對飛機、標靶等動(dòng)態(tài)目標高精UHF數傳電臺,航空專(zhuān)用F型天線(xiàn)度定位,作為高精度位置基準對靶場(chǎng)其它測量設實(shí)時(shí)發(fā)送GPS定位數據到基準站備進(jìn)行精度檢測,實(shí)時(shí)處理信息并提供給導航系接收地面基準站發(fā)送的差分修正信息。統,事后處理和傳輸通訊的要求。f電源參考文獻使用高性能鋰離子電池,可持續工作8h,重復使用500次以上,為彈載設備提供12V直流電周忠漠,易杰軍CPS衛星測量原理與應用M北京:測繪出版社,1992源[2]劉基余,等.全球定位系統原理及其應用M]北京:測繪出版3.22系統功能社,2003a.GPS接收機接收衛星信號;3]許其風(fēng),GPS衛星導航與精密定位M]北京:解放軍出版社b.原始測量數據存儲于靶上數據記錄器中;將定位數據通過(guò)電臺送給地面站作者簡(jiǎn)介d接收地面基準站發(fā)送的差分修正信息;劉軍(1965—),男,吉林白山人,碩土,高級工程師,主要從e系統設備具有自檢功能,并通過(guò)指示燈表潘文瀚(978-),男,遼寧海城人,工程師,主要從事飛機飛行明工作狀態(tài)式驗方面的研究工作