郭萬祿，潘玉純，翟崢嶸

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島 125000;2.中國人民解放軍91851部隊，遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

在新裝備研制論證過程中，擬選用JAVAD公司的JNSGyro-4T四天線GPS測姿設備作為航向姿態(tài)(偏航、縱搖、橫搖)測量設備，該設備內(nèi)部含有4路GPS接收機，有較高的航向姿態(tài)測量精度，但購置經(jīng)費昂貴。這里提出采用2套雙天線GPS實現(xiàn)載體航向姿態(tài)測量，通過2套GPS雙天線測姿系統(tǒng)分別測量得到2個基線在空間中的航向角和縱搖角。由1套GPS天線2個天線測姿系統(tǒng)輸出的航向角和縱搖角，利用另一套GPS兩天線構(gòu)成的測姿系統(tǒng)輸出值計算出橫搖角。

問題提出后，在項目研制前對此專門進行了預研分析和實驗驗證，實驗驗證了采用此方法可以完成載體的航向姿態(tài)測量，結(jié)果能夠滿足該型測量裝備對載體姿態(tài)實時測量的要求，節(jié)省了大量經(jīng)費。

1 航向姿態(tài)測量方法

通常采用幾種姿態(tài)探測器及其相應的數(shù)據(jù)處理方法確定目標或載體相對于某個基準確定航向姿態(tài)。其航向姿態(tài)確定的精度取決于數(shù)據(jù)處理方法與姿態(tài)探測器所能達到的精度。

1.1 慣性導航(INS)方法

慣性導航測量利用慣性敏感元件測量載體相對慣性空間的運動參數(shù)，根據(jù)初始條件計算出目標的姿態(tài)、方位、速度和位置參數(shù)，從而完成航向姿態(tài)的測量任務。INS是一個自主式的空間基準保持系統(tǒng)，慣性測量裝置包括3個加速度計和3個陀螺儀，前者用來測量運載器的3個平移運動的加速度;后者用來測量運載器的3個轉(zhuǎn)動運動的角位移。對測出的加速度進行2次積分，可解算出運載器在所選擇的導航參考坐標系的位置。

1.2 GPS航向姿態(tài)測量方法

GPS測姿是在一個運動載體的幾個不同位置上分別安裝GPS接收天線，利用GPS載波相位測量求解出運動載體的三維姿態(tài)參數(shù)。GPS測姿平臺的平面只能由3點或2個非重疊或平行的矢量來確定，因此最少需要在運動載體上安裝3根GPS信號接收天線，這樣才能形成2條獨立的基線來實施GPS姿態(tài)測量。

1.2.1 兩天線測姿

使用2根GPS天線進行運動載體的姿態(tài)測定，只能估計出2個姿態(tài)角。GPS天線在載體坐標系中的配用示意圖如圖1所示。

圖1 GPS天線在載體坐標系中的配用

如圖1(a)所示，L12為A1，A2基線的長度。天線A1到天線A2的矢量方向可以確定偏航角，天線A1的坐標為(L12，0，0)T，將天線設置為載體坐標系和當?shù)厮阶鴺讼档脑c，而不必利用姿態(tài)參數(shù)矩陣，可以采用直接計算法來計算偏航角和俯仰角:

通過對GPS載波相位的觀測，能夠極其精確地測定天線A2相對天線A1在WGS－84地心系坐標的三維位置，再將其變換成以天線A1為原點的當?shù)刈鴺讼档淖鴺?，然后就可以由?1)和式(2)解算出偏航角和俯仰角。

1.2.2 多天線測姿

采用3根天線時，組成2條獨立的基線，其中基線12用于測定偏航角和俯仰角，基線13用于測定橫滾角，天線1、2、3在XOY平面內(nèi)，且知基線12和基線13的夾角為α，可以精確測定。用前述兩天線測姿的公式可以確定偏航角和俯仰角。通過求出天線3的水平坐標系到載體坐標系轉(zhuǎn)換矩陣，從而得到橫滾角，如圖1(b)所示。

2 可行性分析

2.1 必要性

某型測量設備，采用DMU慣性導航類裝置測量載體航向姿態(tài)，在試驗準備過程中，需要對DMU航向姿態(tài)測量裝置進行海上消磁作業(yè)，以消除設備所處載體鐵磁物質(zhì)環(huán)境對DMU測量結(jié)果的影響。海上消磁作業(yè)時，該設備安裝固定在載體上，拖船以最小半徑拖帶載體旋轉(zhuǎn)，有效測量數(shù)據(jù)不小于2圈，操作過程復雜，人員至少需要進行2次靠幫作業(yè)，尤其當海況條件惡劣時，容易出現(xiàn)斷纜現(xiàn)象，載體容易失控，存在較大安全隱患。因此，在建設此類新型測量裝備時，采用GPS測量載體航向姿態(tài)參數(shù)，避免海上消磁和跳幫等危險作業(yè)十分必要。

2.2 可行性

根據(jù)GPS多天線測姿原理方法，采用四天線測姿，4根天線配置成正方形，利用基線平面布局的特殊性，解算出幾個姿態(tài)矩陣元素，進而解算姿態(tài)角，不需要知道初始姿態(tài)，從理論上是可行的。選用2套雙天線GPS接收機，通過對2個天線接收到的GPS信號進行處理獲得以2個天線連線為基準的航向和俯仰角度，同時為了得到載體航向、俯仰和橫滾三維角度，將2套GPS接收機天線交叉放置，通過標校得到各天線的位置及輸出角度值，即可獲得GPS輸出角度與載體航向姿態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)姿態(tài)測量原理進行綜合處理，得到滿足要求的航向、俯仰/橫滾測角精度，并且研制經(jīng)費會大幅下降。

3 驗證實驗

3.1 基本情況

實驗設備:Vector GPS航向測姿設備2套，設備支架1個，Leica TCA1201全站儀1套，筆記本電腦1臺。GPS四個天線呈正方形布設如圖2所示。

實驗過程:首先將2套Vector GPS航向測姿設備固聯(lián)在設備支架上，2套GPS天線的基線長均為50 cm，且它們之間相互正交。將全站儀調(diào)平，建立一個全站儀鉛垂體系，測量GPS航向測姿設備4個天線在其中的坐標;同時，利用筆記本電腦通過串口獲取GPS航向測姿設備的姿態(tài)測量結(jié)果輸出。通過對不同航向姿態(tài)情況下獲取的數(shù)據(jù)進行事后分析處理，驗證GPS航向測姿設備的航向和傾角測量精度。根據(jù)GPS航向測姿固聯(lián)坐標系的定義，由GPS天線主1和GPS天線從1構(gòu)成測姿系統(tǒng)的輸出即為GPS航向測姿系統(tǒng)輸出的航向角和縱搖角，利用GPS天線主2和GPS天線從2構(gòu)成的系統(tǒng)輸出值計算出橫搖角。

圖2 GPS四個天線布設支架結(jié)構(gòu)

3.2 原理

利用全站儀測量得到全站儀鉛垂坐標系下GPS航向測姿系統(tǒng)4個GPS天線的坐標，利用這些坐標值可計算得到GPS航向測姿系統(tǒng)傾角輸出，即可得到其傾角測量精度。

將設備支架的航向姿態(tài)進行調(diào)整，利用全站儀測量得到全站儀鉛垂坐標系下調(diào)整后的4個GPS天線后的坐標值。通過計算獲得GPS天線在航向姿態(tài)調(diào)整后航向的變化真值，與利用2次GPS航向測姿系統(tǒng)輸出計算的航向差值進行比較，從而評定其航向角的測量精度。

假設設備在第1組情況下輸出的航向和傾角分別為α1、β1，對應的全站儀此時測量得到的GPS坐標分別為:GPS主1=［X主1Y主1Z主1］和 GPS從1=［X從1Y從1Z從1］;設備在第 2 組情況下輸出的航向和傾角分別為α2、β2、對應的全站儀此時測量得到的GPS天線坐標分別為 GPS主2=［X主2Y主2Z主2］和 GPS從1=［X從2Y從2Z從2］。由此可計算得到在2種姿態(tài)情況下的方位角變化量真值為:

而利用GPS航向測姿設備輸出的方位角計算可得到其方位角變化量為:ΔαGPS=α2－α1。則GPS航向測姿設備的方位角測量誤差為:Δα=ΔαGPSΔα全。與方位角類似，可計算得到俯仰角真值為:則GPS航向測姿設備的俯仰角測量誤差為:Δβ=β1－ β全。

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在實驗中，每次測量后，對設備的航向姿態(tài)進行調(diào)整，共進行了8次航向姿態(tài)測量，得到8組全站儀鉛垂坐標系下的GPS天線坐標和相應的實驗組號對應的GPS輸出測姿結(jié)果。利用8組測姿文件可計算出每組的方位和俯仰角均值。全站儀測量得到的全站儀鉛垂坐標系下的GPS天線坐標第1組和第5組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 全站儀測量得到的GPS天線位置

圖3給出了8組實驗2套設備中1套設備中的1組輸出的方位和俯仰數(shù)據(jù)二維圖，其中實線是實時采樣數(shù)據(jù)，虛線是采樣時間內(nèi)采樣數(shù)據(jù)計算得到的平均值。

圖3 第1組實驗設備1輸出的數(shù)據(jù)

根據(jù)前述實驗原理對數(shù)據(jù)進行分析和處理，計算出每組GPS測量數(shù)據(jù)的均值，利用全站儀測量每次設備的航向姿態(tài)調(diào)整后得到的4個GPS天線的坐標值。以某一序列數(shù)據(jù)為基準，計算GPS和全站儀各自的角度差，將全站儀的角度差作為數(shù)據(jù)真值，就可獲得GPS方位角、俯仰角的角度誤差和均方根誤差。從而評定其系統(tǒng)方位和俯仰角的測量精度，最后得到方位和俯仰角均方根誤差分別為0.9531°和1.34°。以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果，GPS航向測姿設備的方位角和俯仰角測量數(shù)據(jù)能夠滿足某型測量設備對航向姿態(tài)測量指標要求。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有載體環(huán)境條件下，利用2套GPS雙天線測量設備實現(xiàn)多GPS天線測量載體實時的航向姿態(tài)，是根據(jù)現(xiàn)有的測量技術(shù)及設備實際情況，總結(jié)有關(guān)經(jīng)驗進行的新嘗試，在項目建設工程實踐中，得到了充分驗證，取得了較好的效果，可以提高效率，節(jié)約經(jīng)費。研制成功的裝備在實際使用中，航向姿態(tài)測量信息滿足了裝備使用要求。 ■

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