梁冠輝，紀(jì)育強(qiáng)，孫 強(qiáng)

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

應(yīng)用于無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量的機(jī)載GPS定位系統(tǒng)

梁冠輝，紀(jì)育強(qiáng)，孫 強(qiáng)

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量工作需要為磁力數(shù)據(jù)提供精確的位置和高程。根據(jù)無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量的實(shí)際工作環(huán)境和對(duì)定位精度的要求，設(shè)計(jì)了該機(jī)載單頻GPS定位系統(tǒng)，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和野外試驗(yàn)，處理GPS數(shù)據(jù)采用商業(yè)軟件。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)載GPS定位系統(tǒng)滿足定位精度要求，可應(yīng)用于無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量。

無人直升機(jī)；單頻GPS；高程

無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量工作需要獲取水平精度優(yōu)于2 m的動(dòng)態(tài)位置并進(jìn)行精度優(yōu)于50 cm的動(dòng)態(tài)高程測(cè)量，用于磁力數(shù)據(jù)的定位與校正。GPS不但可以進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量而且具有易于安裝、定位精度高、工作效率高的特點(diǎn)，因此本文采用GPS作為整個(gè)磁力測(cè)量系統(tǒng)的定位系統(tǒng)。

商業(yè)GPS接收機(jī)由于質(zhì)量和體積較大、抗震性能差，不適合安裝于無人直升機(jī)平臺(tái)。該系統(tǒng)中的單頻GPS接收機(jī)內(nèi)嵌于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)PC104，適用于無人直升機(jī)海洋磁力測(cè)量。在較小范圍內(nèi)（＜20 km），該系統(tǒng)獲取的單頻GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過差分處理所得經(jīng)緯度精度可達(dá)到分米級(jí)別、高程精度優(yōu)于50 cm。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用于飛機(jī)測(cè)量高程的儀器有：氣壓高度表、無線電高度表、機(jī)載雷達(dá)和機(jī)載激光測(cè)高儀等，以上儀器僅能進(jìn)行高程測(cè)量[1-3]，GPS在進(jìn)行高程測(cè)量的同時(shí)還可以進(jìn)行經(jīng)緯度測(cè)量，獲取飛機(jī)的三維坐標(biāo)，其工作原理如下。

GPS主要由三部分組成：空間星座、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備。空間星座由24顆GPS衛(wèi)星組成，用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件。GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射頻率為1 575.42 MHz和1 227.40 MHz的信號(hào)，GPS接收機(jī)接收信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解算，求得衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，這樣在地球直角坐標(biāo)系下可得如下觀測(cè)方程組：

式中：Di為各個(gè)衛(wèi)星到接收機(jī)的距離；（Xi，Yi，Zi）為各個(gè)衛(wèi)星的坐標(biāo)；c為衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度；Ti為各個(gè)衛(wèi)星的鐘差。 接收機(jī)坐標(biāo)值（X0，Y0，Z0）以及接收機(jī)鐘差 T0為未知數(shù)，當(dāng)GPS接收機(jī)接收到4顆或者4顆以上的衛(wèi)星，式（1）的方程組可解算出以上未知數(shù)，即求得接收機(jī)的三維坐標(biāo)。

GPS定位方法按照參考點(diǎn)的不同位置可以分為：單點(diǎn)定位和差分定位。單點(diǎn)定位的精度為米級(jí)，差分定位的精度達(dá)到厘米級(jí)，這是因?yàn)椴罘侄ㄎ槐葐吸c(diǎn)定位能夠更有效地消除或減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差及電離層、對(duì)流層的折射誤差等誤差。差分定位按照觀測(cè)量不同分為測(cè)碼偽距差分定位和測(cè)相偽距差分定位，測(cè)相偽距差分定位的精度要高于測(cè)碼偽距差分定位；按照數(shù)據(jù)處理方式不同分為實(shí)時(shí)處理和測(cè)后處理[1]，磁力測(cè)量工作無需實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，因此機(jī)載GPS定位系統(tǒng)采用測(cè)相偽距動(dòng)態(tài)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(jī)載差分GPS工作模式示意圖

機(jī)載GPS定位系統(tǒng)由兩部分組成：基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。基準(zhǔn)站采集雙頻GPS數(shù)據(jù)并以文本方式存儲(chǔ)雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，流動(dòng)站采集單頻GPS數(shù)據(jù)，同樣以文本方式存儲(chǔ)單頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，事后將二者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至PC機(jī)，并使用商業(yè)軟件進(jìn)行差分處理。該機(jī)載GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)更新率要求為10 Hz。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，基準(zhǔn)站采用商業(yè)雙頻GPS接收機(jī)LEICA SR530 Geodetic RTK Receiver，其數(shù)據(jù)更新率最高達(dá)到10 Hz，靜態(tài)定位精度為：3 mm+0.5 ppm。流動(dòng)站采用本文基于Novatel OEMV1 card設(shè)計(jì)的機(jī)載單頻GPS接收機(jī)，OEMV1 card標(biāo)稱差分定位精度為0.45 m，數(shù)據(jù)更新率最高為20 Hz。單頻GPS接收機(jī)主要包括：單頻GPS天線、OEMV1 card和 PC104工控機(jī)，OEMV1 card內(nèi)嵌于PC104工控機(jī)，單頻GPS天線和PC104工控機(jī)安裝于無人直升機(jī)。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)載GPS定位系統(tǒng)組成框圖

2 定位精度驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該機(jī)載單頻GPS定位系統(tǒng)的定位精度，本文進(jìn)行了兩種試驗(yàn)：模擬試驗(yàn)和野外試驗(yàn)。

處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用商業(yè)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(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，掃描基站和流動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，剔除二者共同觀測(cè)時(shí)間很短的衛(wèi)星和出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的觀測(cè)時(shí)段，改善觀測(cè)質(zhì)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(cè)數(shù)據(jù)。

模擬試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證OEM板卡的標(biāo)稱精度。試驗(yàn)場地設(shè)在青島市內(nèi)，基線長度約為150 m，模擬試驗(yàn)每組數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間約為6 h。選取其中4組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表1為4組數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)三維均方根誤差（RMS）最大值，所有歷元的經(jīng)度和緯度RMS值都小于5 cm，高程RMS值都小于10 cm，優(yōu)于該OEM板卡標(biāo)稱定位精度。

表1 模擬試驗(yàn)各組數(shù)據(jù)所有歷元三維RMS最大值表（單位：m）

野外試驗(yàn)是為了驗(yàn)證單頻GPS定位系統(tǒng)機(jī)載環(huán)境下的定位精度。試驗(yàn)場地設(shè)在東營海邊，機(jī)載單頻GPS接收機(jī)以無人直升機(jī)為運(yùn)動(dòng)載體，移動(dòng)速度在6～15 m/s范圍內(nèi)，無人直升機(jī)航線為設(shè)定的磁力測(cè)線，飛行過程中，GPS基線長度在1～13 km范圍內(nèi)。野外試驗(yàn)每組數(shù)據(jù)為每個(gè)航次的數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)間約為40 min。同樣選取試驗(yàn)中四組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其動(dòng)態(tài)三維RMS最大值如表2所示。圖3為選取其中一組進(jìn)行作圖分析，圖3（a）為該組數(shù)據(jù)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(yàn)各組數(shù)據(jù)所有歷元三維RMS最大值表（單位：m）

表2中野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)所有歷元的經(jīng)緯度RMS值均小于10 cm，高程RMS值均小于50 cm，滿足磁力測(cè)量工作的要求。比較圖3（a）中高程變化趨勢(shì)與圖3(b)～(d)中三維RMS值變化趨勢(shì)可知：在飛行過程中，無人直升機(jī)起飛及爬升過程中姿態(tài)變化較大，導(dǎo)致三維RMS值較大。無人直升機(jī)固定高度飛行后，姿態(tài)平穩(wěn)，則三維RMS值趨于穩(wěn)定且幅值降低，因此可推斷無人直升機(jī)飛行姿態(tài)是影響動(dòng)態(tài)高程精度的主要因素之一。

圖3 野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)高程及三維RMS值

在進(jìn)行模擬試驗(yàn)的過程中，存在高程值偏差較大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(jìn)行分析如圖4所示，圖4（a）為該組數(shù)據(jù)所有歷元高程值，圖4（b）為所有歷元高程RMS值，該組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的高程及RMS值

圖5 未滿足定位精度數(shù)據(jù)的PDOP值

對(duì)比圖4和圖5中幅值較大的時(shí)刻可知高程值出現(xiàn)較大偏差的時(shí)刻、高程RMS值較大的時(shí)刻與PDOP值偏大的時(shí)刻符合，由此可推斷衛(wèi)星的觀測(cè)質(zhì)量是影響定位動(dòng)態(tài)差分定位精度主要因素之一。試驗(yàn)場地周圍建筑物對(duì)基站和流動(dòng)站共同觀測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)產(chǎn)生遮擋，而且基站和流動(dòng)站共同觀測(cè)的衛(wèi)星存在升降，使觀測(cè)衛(wèi)星出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，都會(huì)降低定位精度。因此在進(jìn)行野外磁力測(cè)量工作中基站的選址應(yīng)該保證飛行過程中基站和流動(dòng)站共同觀測(cè)的衛(wèi)星不被遮擋，同時(shí)工作時(shí)間避開觀測(cè)衛(wèi)星升降的時(shí)刻。

3 結(jié)論

通過對(duì)該機(jī)載GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行的精度驗(yàn)證試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：該機(jī)載單頻GPS定位系統(tǒng)以無人直升機(jī)為運(yùn)動(dòng)載體可以完整采集動(dòng)態(tài)單頻GPS數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)文件，使用TTC軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到的經(jīng)緯度定位精度優(yōu)于10 cm，高程測(cè)量精度優(yōu)于50 cm，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此該機(jī)載單頻GPS定位系統(tǒng)可應(yīng)用于無人直升機(jī)海洋航空磁力測(cè)量。

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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(jī)的海洋航空磁力探測(cè)系統(tǒng)研制（2007AA09Z319）

梁冠輝（1985-），男，碩士研究生，主要從事系統(tǒng)研制開發(fā)工作。