劉 艷，張 旭，孫 杰

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧大連116023)

0 引言

隨著測控技術(shù)的發(fā)展，測控設(shè)備的測量精度逐步提高，飛行檢驗中真值高精度測量是試驗的關(guān)鍵。真值測量的準確性、可靠性和運動姿態(tài)測量等問題是試驗成功的重要影響因素。目前使用的差分GPS測量系統(tǒng)由于受基準站位置、GPS信號強弱及使用權(quán)限等多種因素的影響，有時會出現(xiàn)較大的測量誤差，并有斷點或斷線現(xiàn)象，并且沒有目標運動姿態(tài)的測量數(shù)據(jù)。GPS/INS組合導(dǎo)航是一種高精度導(dǎo)航方式，大多應(yīng)用于各國精密制導(dǎo)武器、精確導(dǎo)航運載體等方面［1］。利用INS高精度姿態(tài)測量技術(shù)和GPS高精度位置測量，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲得合作目標處高精度運動參數(shù)測量結(jié)果。或者用戶根據(jù)自己的需要，選擇不同的定位模式來保證獲得最佳的定位精度。采用GPS/INS進行目標運動參數(shù)真值測量是解決目前真值測量精度不夠高、測量設(shè)備工作不可靠、運動姿態(tài)測量問題的有效手段。

1 飛行檢驗中真值測量的需求分析

1.1 飛行檢驗中真值測量的方法

飛行檢驗是為了檢驗測控設(shè)備技術(shù)性能進行的聯(lián)合試驗。以飛機為測量目標，按照預(yù)定的航路進行飛行，測控設(shè)備按照預(yù)定的跟蹤航路區(qū)間進行跟蹤測量。把高精度飛機運動軌跡的測量值作為真值，是測控設(shè)備對比的依據(jù)，因此，真值測量值是否準確、可靠是飛行檢驗成敗的關(guān)鍵。真值測量方法是采用局域差分DGPS測量方法［2］，在不同的區(qū)域設(shè)有固定基準站，在飛機的不同部位分別布設(shè)移動的GPS測量設(shè)備，事后進行數(shù)據(jù)處理，解算出測控設(shè)備跟蹤點或者合作目標處的運動參數(shù)，分別對光測、雷測和遙測設(shè)備進行性能檢驗或精度檢驗。

1.2 飛行檢驗真值測量中存在的不足

真值測量的精準度越高，對測控設(shè)備的檢驗校正就越準確。局域差分DGPS測量方法一定程度上滿足了目前飛行檢驗中真值測量的要求。但在實際應(yīng)用中也存在不足，主要表現(xiàn)在以下方面:

①GPS測量信號經(jīng)常遇到信號遮擋及衰減，使信號不能使用。

②受多徑干擾比較嚴重，造成大的測距誤差，嚴重降低應(yīng)用于精密測量的載波相位測距所需的模糊度解算處理性能。

③抗干擾能力比較弱，常常受到各種有意或無意的電子干擾，使其性能下降甚至無法工作［3］。

④真值測量點與測控設(shè)備的跟蹤點有一定的差距。雷達測量設(shè)備跟蹤的是雷達合作目標處，以紅外跟蹤為主的光測設(shè)備跟蹤的是飛機發(fā)動機處，遙測設(shè)備所跟蹤的是遙測信號發(fā)射處。目前的真值測量點是飛機前或后的某個部位，與測控設(shè)備跟蹤點有一定的距離，存在一定的誤差。離目標真實運動軌跡的測量有一定的差距。

⑤差分GPS測量的運動參數(shù)中沒有目標飛行姿態(tài)的測量數(shù)據(jù)。

2 GPS/INS組合導(dǎo)航測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

現(xiàn)在航空器上搭載的導(dǎo)航系統(tǒng)多為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS全球定位系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過對這2種導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合，取長補短，克服各自缺點，充分發(fā)揮各自優(yōu)點，使組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)精度高于各自導(dǎo)航系統(tǒng)的精度［4］。對GPS系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機動態(tài)特性和抗干擾性。對慣導(dǎo)系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)的校正可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度［5］。GPS/INS組合可以實現(xiàn)一體化，把GPS接收機放入慣導(dǎo)部件中，使系統(tǒng)的體積、重量和成本都可以減少，且便于實現(xiàn)慣導(dǎo)和 GPS的同步，減小非同步誤差［6］?？傊?，GPS/INS組合可以構(gòu)成一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向［7］。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

①GPS/INS組合對改善系統(tǒng)精度有利;

②GPS/INS組合加強系統(tǒng)的抗干擾能力;

③解決GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題;

④組合系統(tǒng)可降低對慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能要求;

⑤組合系統(tǒng)可高精度獲得載體的運動姿態(tài)。

3 合作目標處的真值測量方法

在飛行目標跟蹤過程中，由于測控設(shè)備工作的原理不同，測控設(shè)備跟蹤的是目標的不同部位。合作目標是為了有效完成測控設(shè)備的測量跟蹤，在飛機的不同部位安裝一定的合作目標［8］，利于光測、雷測和遙測設(shè)備對飛機目標發(fā)現(xiàn)、跟蹤。所以，合作目標處真值測量的精度是飛行檢驗的關(guān)鍵所在。

3.1 建立坐標系

建立地心空間直角坐標系:選取DX-1號參考橢球體原點OG為參考橢球中心，OGXG軸為赤道平面與本初子午面的交線，向外為正;OGZG軸與參考橢球體旋轉(zhuǎn)軸重合，向上為正;OGYG軸在赤道平面內(nèi)，與OGXG、OGZG軸構(gòu)成右手直角坐標系。坐標系中的位置向量和速度向量記為XG。

建立測量坐標系(東北天坐標系):原點O為測量設(shè)備中心，OX軸位于O點的參考橢球體切平面內(nèi)，指向大地東;OY軸位于O點的參考橢球體切平面內(nèi)，指向大地北;OZ軸為O點的法線，向上為正。坐標系中的位置向量和速度向量記為X。

建立飛行體坐標系:原點OM為飛行體質(zhì)心，OMXM軸為飛行員體縱軸，指向飛行體頭部方向;OMYM軸位于飛行體縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，與OMXM軸垂直，指向上為正;OMZM軸垂直于OMXMYM平面，與OMXM、OMYM軸構(gòu)成右手直角坐標系。坐標系中的位置向量和速度向量記為XM。

3.2 飛行體坐標系與測量坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

飛行體坐標系相對于測量坐標系的姿態(tài)，通常用3個姿態(tài)角參數(shù)(俯仰角?、偏航角ψ、滾動角γ)來表示。俯仰角指繞橫軸OMZM的轉(zhuǎn)動角，迎OMZM方向逆時針為正;偏航角為繞立軸OMYM的轉(zhuǎn)動角，迎OMYM方向逆時針為正;滾動角指繞縱軸OMXM的轉(zhuǎn)動角，迎OMXM方向逆時針為正［9］。測量坐標系與飛行體坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣即為3個初等轉(zhuǎn)換矩陣的乘積:

將飛行體坐標系的位置向量轉(zhuǎn)換到測量坐標系中的表達式為:

3.3 測量坐標系與地心空間直角坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系

測量坐標系的位置向量轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標系中的表達式為:

式中，XGo為測量坐標系原點O在地心空間直角坐標系中的位置。

4 仿真計算及結(jié)果分析

下面模擬的合作目標處真值測量方法，是利用北斗星通有限公司提供的車載GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行模擬計算。利用地面車輛試驗所獲得的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行仿真計算，可有效驗證飛機上使用組合導(dǎo)航系統(tǒng)對合作目標的測量方法。在飛行體坐標系下，距質(zhì)心約2 m，車上指定P(x0，y0，z0)(合作目標處)，利用車載GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測量的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件計算，得到2組導(dǎo)航數(shù)據(jù):一組為單獨使用GPS測量系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)、平移和轉(zhuǎn)換，得到地心坐標系下導(dǎo)航數(shù)據(jù);另一組為使用GPS/INS組合導(dǎo)航測量系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)、平移和轉(zhuǎn)換，得到地心坐標系下導(dǎo)航數(shù)據(jù)。由于載體是地面以跑車的方式進行運動，有時數(shù)據(jù)變化比較大。結(jié)果分析是建立在以某種狀態(tài)下為真值進行比對的，目的是為了說明一種測量方式比另一種測量方式測量精度高，或者存在一定的測量誤差。

4.1 仿真計算的結(jié)果

車上指定位置處單獨使用GPS測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和GPS/INS組合導(dǎo)航測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換2組數(shù)據(jù)比對。地心坐標系下2個系統(tǒng)在XYZ方向上的位置誤差和均方根誤差如圖1所示。

圖1 位置誤差和均方根誤差

4.2 仿真結(jié)果分析

通過計算和曲線分析，在X軸方向最大存在12 m誤差;系統(tǒng)誤差6.628 m;均方根誤差7.150 m。Y軸方向最大存在12 m誤差;系統(tǒng)誤差8.211 m;均方根誤差8.908 m。Z軸方向最大存在-28 m的誤差;平均誤差1.714 m;均方根誤差2.839 m。這一算例說明，使用GPS/INS組合測量獲得的導(dǎo)航數(shù)據(jù)與單獨使用GPS測量獲得的導(dǎo)航數(shù)據(jù)相比，總系統(tǒng)誤差為11.387 m;總均方根誤差為11.770 m。

5 結(jié)束語

合作目標處真值測量是飛行檢驗中的關(guān)鍵。通過對校飛中真值測量的需求分析，進一步明確了GPS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)在飛行檢驗中應(yīng)用的可行性。結(jié)合北斗星通提供的車載單GPS測量數(shù)據(jù)和GPS/INS組合測量數(shù)據(jù)進行仿真計算，用實例驗證了2種導(dǎo)航方式在對合作目標位置測量上存在一定的測量誤差。研究的結(jié)果表明:①GPS/INS組合導(dǎo)航在技術(shù)性能上可以相互補充，可有效提高系統(tǒng)的精度和可靠性;② 對合作目標處測量，使用帶有姿態(tài)測量的組合導(dǎo)航系統(tǒng)比單一GPS測量系統(tǒng)的測量精度高，可靠性好。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是解決飛行檢驗中存在問題的有效途徑。

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