周 巍，郝金明，徐兆磊，劉丙申

(1.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;2.中國人民解放軍63883部隊，河南洛陽471003)

一、引 言

測控系統(tǒng)完成對航天器的跟蹤測量并實施控制，同時還是飛行安全控制、指揮顯示的重要信息源，必須保持其良好性能和精度［1］。但是，由于制造工藝、設(shè)備安裝、器件老化等原因會將測量誤差引入測控設(shè)備，進而影響到測控系統(tǒng)的精度和可靠性［2］。因此，新研或改造的測控設(shè)備正式投入使用前，必須進行精度鑒定，以評估其是否滿足研制或改造的技術(shù)指標要求。

早期測控設(shè)備的精度鑒定主要以彈道相機或光電經(jīng)緯儀等光學(xué)測量數(shù)據(jù)作為比較標準，但光學(xué)設(shè)備對氣象條件要求很高、數(shù)據(jù)處理周期長、跟蹤能力有限。同時，光學(xué)設(shè)備跟蹤目標數(shù)據(jù)時間段落較短，數(shù)據(jù)量根本無法滿足測控設(shè)備精度跟蹤范圍內(nèi)精度鑒定要求。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在經(jīng)濟、軍事、科研和社會生活領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于GPS技術(shù)的飛機校飛方式成為常用的測控設(shè)備精度鑒定方法，形成了一套符合工程應(yīng)用要求的精度鑒定系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。但是，飛機校飛方法存在協(xié)調(diào)難度大、周期長、加裝過程繁瑣、效費比低等不足，難以滿足日益增長及多樣化的測控設(shè)備精度鑒定的需求。而無人機技術(shù)的迅猛發(fā)展為建立高效快捷的精度鑒定方法提供了強力技術(shù)支撐［3］。無人機校飛利用無人機平臺搭載測控合作目標和小型化GPS測量設(shè)備，通過對測控設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)和精度鑒定系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)聯(lián)合處理分析對測控設(shè)備精度進行鑒定，與有人機校飛相比，具有較強的適應(yīng)性與生存力。本文探討了無人機校飛精度鑒定系統(tǒng)的組成、工作模式及精度鑒定方法，通過實際飛行試驗實現(xiàn)了完整的精度鑒定流程，并分析了無人機平臺用于測控設(shè)備精度鑒定的可行性及試驗效果。

二、系統(tǒng)組成

無人機校飛精度鑒定系統(tǒng)由無人機分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、指揮監(jiān)控分系統(tǒng)、地面測量分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)5部分組成，如圖1所示。

圖1 基于無人機平臺的測控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)組成

1.無人機分系統(tǒng)

2.任務(wù)載荷分系統(tǒng)

任務(wù)載荷分系統(tǒng)主要包含校飛任務(wù)所需的機載高精度GPS測量設(shè)備和測控設(shè)備合作目標，如應(yīng)答機、信標機、點光源等。

3.指揮監(jiān)控分系統(tǒng)

指揮監(jiān)控分系統(tǒng)由無人機監(jiān)控分系統(tǒng)和地面航顯分系統(tǒng)組成。無人機監(jiān)控分系統(tǒng)利用無人機自身飛控系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備及各傳感器的信息輸出，監(jiān)測并記錄無人機的工作狀態(tài)參數(shù)，顯示無人機飛行航跡，并發(fā)出控制指令完成無人機的穩(wěn)定飛行和安全回收［5］;地面航顯分系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備接收機載GPS測量設(shè)備實時輸出的高精度定位測速信息，為用戶提供航顯信息［6］。

4.地面測量分系統(tǒng)

地面測量分系統(tǒng)由實時差分基準站和事后差分基準站組成。實時差分基準站完成GPS數(shù)據(jù)采集，通過上行鏈路為機載GPS測量設(shè)備提供差分信息;事后差分基準站與機載GPS測量設(shè)備進行同步觀測，完成基準站GPS原始觀測數(shù)據(jù)采集和存儲，為事后數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)要素。

5.數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)能夠?qū)︿浫〉臋C載GPS接收機和事后差分基準站的原始觀測數(shù)據(jù)進行事后載波相位差分解算，提供測控設(shè)備精度鑒定所需的比對標準數(shù)據(jù)。

三、應(yīng)用模式

根據(jù)試驗需求，無人機校飛精度鑒定系統(tǒng)利用無人機平臺搭載測控合作目標和小型化精度鑒定設(shè)備，通過對測控設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)和精度鑒定系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理分析，實現(xiàn)對被鑒設(shè)備的精度評定。

操作員根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的航路控制無人機飛行，機載GPS測量設(shè)備則接收地面實時差分基準站差分改正信息完成實時差分，并將解算結(jié)果下傳至地面航顯指揮分系統(tǒng)，實現(xiàn)飛行目標監(jiān)控、快速比對和地面測控設(shè)備引導(dǎo);通過事后綜合數(shù)據(jù)處理，提供鑒定比對標準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對測控設(shè)備精度的分析和評定。典型應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2 無人機校飛精度鑒定系統(tǒng)應(yīng)用模式

四、精度鑒定方法研究

1.GPS載波相位動態(tài)相對定位原理

測控設(shè)備精度鑒定首先需要獲取高精度標準比對數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是利用系統(tǒng)的無人機平臺搭載GPS測量設(shè)備并與地面基準站進行載波相位相對定位解算來獲取的?；鶞收緄與機載站k對GPS衛(wèi)星j、n進行同步觀測，構(gòu)成雙差載波相位觀測值并線性化表示為［7］

表示為矩陣形式為

采用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理模型，其狀態(tài)方程為

箭豬坡礦床的成礦作用受斷裂活動、巖漿作用及地層巖性等因素控制，礦床形成均與花崗巖晚期階段有關(guān)，為受構(gòu)造裂隙控制的巖漿期后低溫?zé)嵋撼涮钚兔}狀鉛鋅銻礦床。礦區(qū)中主要工業(yè)礦脈礦化較穩(wěn)定，礦脈的傾向延伸和SN走向延長還未完全控制。隨著深度的增加，元素組合出現(xiàn)變化，在礦區(qū)的深部隱伏巖體附近存在層狀礦化體。

對應(yīng)的觀測方程為

式中，Xk=δRk。

卡爾曼濾波遞推方程式為

2.評定方法

測控設(shè)備精度評定的方法可簡要地概括為：以無人機搭載的GPS系統(tǒng)定位結(jié)果為標準參考坐標，然后通過與測控設(shè)備定位數(shù)據(jù)的測量結(jié)果進行對比，得到測控設(shè)備的性能和精度，以研究其誤差變化的規(guī)律。評定方法分為以下幾個步驟［8］：

1)利用無人機搭載的GPS和地面基準站獲取定位數(shù)據(jù)，利用載波相位相對定位數(shù)據(jù)處理，得到無人機軌跡的最佳估計。

2)對測控設(shè)備和GPS設(shè)備進行時間校正，并統(tǒng)一到同一時間系統(tǒng)下。

3)坐標變換，把目標參考坐標轉(zhuǎn)換為方向角α、仰角β和斜距R。

4)對測控設(shè)備數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進行對比，得出各個時刻的誤差 δα、δβ、δR。

5)分析系統(tǒng)誤差和隨機誤差，研究測控設(shè)備的誤差變化規(guī)律，得到精度評定結(jié)果。

五、試驗分析

采用基于無人機平臺的測控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)實際飛行數(shù)據(jù)，以航向穩(wěn)定度、橫傾穩(wěn)定度、俯仰穩(wěn)定度為例對無人機平臺的性能進行分析，如圖3～圖5所示，并將均值及均方根誤差進行統(tǒng)計，見表1。各項指標表明，無人機平臺能夠為任務(wù)載荷提供飛行條件，并完成測控設(shè)備精度鑒定中標準數(shù)據(jù)的獲取。

圖3 航向穩(wěn)定度曲線

圖4 橫傾穩(wěn)定度曲線

圖5 俯仰穩(wěn)定度曲線

表1 俯仰穩(wěn)定度曲線 (°)

由于無人機載荷能力及任務(wù)艙設(shè)備加裝空間的限制，精度鑒定任務(wù)中機載GPS測量設(shè)備應(yīng)選用小型化GPS接收機及天線。對實際飛行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，接收機工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖現(xiàn)象，并獲取了完整的無人機飛行軌跡，如圖6所示。經(jīng)載波相位動態(tài)相對定位解算后，對各歷元定位結(jié)果的標準偏差統(tǒng)計如圖7和表2所示。結(jié)果表明：系統(tǒng)基于GPS載波相位動態(tài)相對定位技術(shù)，能夠獲得厘米級的動態(tài)定位精度，高出測控設(shè)備定位精度數(shù)倍，完全可以作為標準參考值用來對測控設(shè)備是否合格進行評定。

圖6 飛行航跡

圖7 定位結(jié)果標準偏差

表2 定位結(jié)果標準偏差統(tǒng)計m

六、結(jié)束語

本文探討了基于無人機平臺的測控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)的組成、工作模式及鑒定方法，通過實際飛行試驗實現(xiàn)了完整任務(wù)流程，并分析了試驗效果。結(jié)果表明，無人機平臺能夠為任務(wù)載荷提供良好的飛行條件，而且其具有價格便宜、操作簡單、機動性強、測量周期短、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，極大地縮減了試驗成本、擴展了應(yīng)用區(qū)域;系統(tǒng)中無人機搭載的小型化GPS接收機工作穩(wěn)定，能夠提供高精度標準數(shù)據(jù)。無人機校飛精度鑒定系統(tǒng)為實現(xiàn)對測控設(shè)備的精度鑒定提供了一種新的高效快捷的解決方案。

［1］解海中，張守信，董緒榮.航天測控設(shè)備GPS精度鑒定方法研究［J］.指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，1999，10(3)：30-34.

［2］武紅霞.雷達動態(tài)性能檢驗和精度鑒定方法［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008.

［3］FAHLSTROM P G，GLEASON T J.無人機系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］姜楊，薛艷峰，陳劍濤.某型無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2009，17(5)：911-913.

［5］李蕓.面向小型無人機的空地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［6］王靜.無人機地面綜合顯示系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

［7］張守信.GPS衛(wèi)星測量定位理論與應(yīng)用［M］長沙：國防科技大學(xué)出版社，I996.

［8］晉志普，陸文娟，朱紀洪，等.用無人機GPS系統(tǒng)對雷達進行精度評定的方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2001，41(9)：40-43.