耿 炎

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

無人機地面站標(biāo)校方法研究

耿 炎

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了無人機地面站基于GPS的標(biāo)校方法、標(biāo)校原理和計算過程。目前使用的標(biāo)校方法有2種：飛機標(biāo)校法和信標(biāo)標(biāo)校法。針對每種標(biāo)校方法，詳細(xì)分析了標(biāo)校誤差存在的原因，并提出了解決方案。針對標(biāo)校精度受外界因素影響大、標(biāo)校過程復(fù)雜的問題，給出了一種基于尋北儀的簡潔高效的標(biāo)校方法，并介紹了尋北儀的工作原理。目前國內(nèi)尋北儀的測量精度為0.1°，說明用尋北儀對無人機地面站進(jìn)行標(biāo)校是可行的。

無人機；標(biāo)校；尋北儀

0 引言

無人機數(shù)據(jù)鏈作為連接地面站與無人機的信息紐帶，是實現(xiàn)地面操控人員對無人機進(jìn)行實時控制的信息通道，其性能和規(guī)模在很大程度上決定了整個無人機系統(tǒng)的性能和規(guī)模[1]。無人機地面站完成對無人機的遙控、遙測、跟蹤、定位和視頻信息傳輸功能[2]。地面站跟蹤無人機有無線電跟蹤和數(shù)引跟蹤2種方式。在無線電跟蹤模式下，通過地面站的測距測角可實現(xiàn)對無人機的定位，當(dāng)機載GPS受干擾時，可引導(dǎo)飛機返航；在數(shù)引跟蹤模式下，地面站利用飛機下傳的定位信息，可引導(dǎo)天線實時對準(zhǔn)飛機，保證鏈路暢通。地面站測控天線俯仰為寬波束，方位為窄波束，一般只進(jìn)行方位跟蹤。無人機地面站測控天線方位標(biāo)校的精度直接影響著對無人機的跟蹤定位精度。

1 基于GPS的標(biāo)校方法

1.1 標(biāo)校原理

目前無人機地面站采用的是基于GPS的標(biāo)校方法，基本原理如下：地面站通過無線電搜索、跟蹤測控目標(biāo)，找到天線的電軸；然后將地面站和目標(biāo)的GPS定位信息進(jìn)行計算，得出目標(biāo)基于地面站的方位角，以此作為天線的光軸的真值；地面站測控天線的光軸和電軸是平行的[3]，以此對地面站方位角進(jìn)行標(biāo)校。

1.2 真值計算

GPS采用的是WGS-84大地坐標(biāo)，使用時必須將飛機的GPS坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到以無人機地面站為原點的站心坐標(biāo)[4]。下面簡要介紹坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。首先要將GPS測得的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)；再將空間大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)；最后再將站心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)[5-7]。

首先要將GPS測得的大地坐標(biāo)(緯度B、經(jīng)度L和高度H)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)(X，Y，Z)。在同一參心坐標(biāo)系中，地面點的參心空間直角坐標(biāo)與相應(yīng)的參心大地坐標(biāo)存在以下關(guān)系[8]：

(1)

將無人機的空間大地直角坐標(biāo)(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)如下：

(2)

式中，

X0、Y0和Z0為站心的空間大地直角坐標(biāo)；B0和L0為站心的大地坐標(biāo)的緯度和經(jīng)度。

將無人機的站心直角坐標(biāo)(x，y，z)轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)(D，β，ε)：

(3)

式中，(D，β，ε)為無人機相對于地面站的斜距、方位角和俯仰角。

由于無人機地面站測控天線只對方位進(jìn)行一維跟蹤，方位角β即為所需的真值。

1.3 標(biāo)校方法

目前采用的標(biāo)校方法有2種：利用飛機進(jìn)行標(biāo)校和利用信標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校。2種方法原理相同，但由于使用方法不同，引入的標(biāo)校誤差不同。

1.3.1 飛機標(biāo)校法

飛機停在駛?cè)朦c或起飛線上，根據(jù)機場的具體情況，地面站與飛機之間的距離不確定，一般在100～1 000 m之間。地面站通過無線電搜索，最終跟蹤對準(zhǔn)飛機，飛機的GPS定位信息通過測控鏈路傳到地面站，地面站對飛機及自身的GPS定位信息進(jìn)行解算，得到方位角真值，對測控天線方位角進(jìn)行標(biāo)校。這種方法實現(xiàn)簡單，通過飛機和地面站自身的信息在線完成標(biāo)校。

在某些情況下，飛機標(biāo)校法誤差較大，原因分析如下：

① 飛機的定位信息在下傳到地面站時一般會修正到飛機的幾何中心。地面站跟蹤的是飛機上的測控天線，飛機的定位信息并不能真實地反映測控天線的位置。對于大型無人機來說，這個誤差不能忽略。

② 地面站距離飛機太近，飛機及地面站自身的GPS定位精度低，造成的方位角偏差超出波束寬度。

③ 機場的建筑、車輛及周圍山體等自然環(huán)境造成的多徑干擾，導(dǎo)致地面站測控天線跟偏。

④ 測控天線在飛機上受機體自身的反射、遮擋，造成嚴(yán)重的多徑干擾，致使地面站跟蹤偏離，這種情況導(dǎo)致的標(biāo)校誤差很大(一般會超出波束寬度)，造成標(biāo)校結(jié)果無法使用。

針對以上原因，在利用飛機標(biāo)校時可以采用以下措施減小標(biāo)校誤差，使標(biāo)校誤差小于地面站天線的波束寬度：

① 通過幾何關(guān)系，將飛機的定位信息轉(zhuǎn)換成機上測控天線的位置信息，再利用測控天線的位置計算方位角真值；

② 地面站位置盡量遠(yuǎn)離駛?cè)朦c或起飛線；飛機一般采用差分GPS，定位精度較高，地面站的車載或手持GPS定位精度較低，可用高精度GPS進(jìn)行標(biāo)定；

③ 地面站測控天線俯仰角避免出現(xiàn)負(fù)角度，一般要大于1°，可有效地減少多徑的影響；

④ 飛機起飛后，結(jié)合航跡規(guī)劃，在距離地面站5 km外，飛機沿近似徑向飛行時重新標(biāo)校。由于飛機升空，地面多徑干擾減小，而且距離較遠(yuǎn)，標(biāo)校精度可達(dá)到0.1°(地面站天線波束寬度為1.8°)，可以正常引導(dǎo)天線跟蹤無人機。如果要在天線自跟蹤模式下，通過地面站測距、測角對無人機進(jìn)行定位，則需要根據(jù)定位精度要求在更遠(yuǎn)距離進(jìn)行標(biāo)校，進(jìn)一步提高標(biāo)校精度。

1.3.2 信標(biāo)標(biāo)校法

地面站站址變更后，如果無人機不是從本場起飛，地面站需要用信標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校方法如下：

① 在機場環(huán)境開闊的方向上，距離地面站大于1 000 m，選擇一個已知坐標(biāo)點(或用手持GPS采集)，用支撐桿將信標(biāo)架高3 m以上；

② 開啟信標(biāo)，地面站天線仰角為1°左右，開始方位搜索，當(dāng)天線跟蹤上信標(biāo)時(誤差電壓為0)，記錄天線伺服系統(tǒng)上報的角度；

③ 按上述方法搜索5次，如果天線跟蹤角度不收斂(超出波束寬帶)，將天線仰角抬高1°重新搜索；

④ 直到連續(xù)5次搜索的方位角收斂時，將信標(biāo)機坐標(biāo)手動輸入監(jiān)控軟件，進(jìn)行標(biāo)校，至此完成了一個坐標(biāo)點的標(biāo)校。

由于機場周圍建筑、車輛和山體等環(huán)境影響，無線傳輸不可避免地存在多徑干擾。在同一坐標(biāo)點，多徑干擾可能相對穩(wěn)定，標(biāo)校結(jié)果可能存在一個固定偏差。

建議在其他方向上另選2個點進(jìn)行標(biāo)校，3個坐標(biāo)點相對于地面站的方位差大于60°。最后對3個標(biāo)校值進(jìn)行平均處理，誤差大于天線波束寬度的視為無效值。

2 基于尋北儀的標(biāo)校方法

尋北儀是利用高精度陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速率，通過解算求得載體縱軸與北向之間的夾角來實現(xiàn)尋北功能[9]。把尋北儀水平安裝在地面站艙體上，尋北儀的北向與艙體縱軸平行。在靜止?fàn)顟B(tài)下尋北儀可以快速地測量出艙體縱軸與地理真北的夾角，即初始方位角。伺服系統(tǒng)的方位零度指向與艙體縱軸方向是重合的，因此該角度可以作為天線的初始方位角。

尋北儀的工作原理如圖1所示[10]。

圖1 尋北儀原理示意

若將尋北儀安裝在載體的水平面上，使其陀螺的敏感軸Yg方向在水平面內(nèi)與地理坐標(biāo)的北向Yn平行，則陀螺敏感到的角速率為ωN；若敏感軸Yg在水平面內(nèi)與地理北向有一夾角α，則此時陀螺輸出的ω為水平分量ωN在敏感軸上的投影，即

ω=ωNcosα=ωecosLcosα。

(4)

由式(4)得，陀螺敏感軸與真北的夾角為：

(5)

同時，從式(4)可以看出，在高緯度地區(qū)，cosL接近于零，這時系統(tǒng)的信噪比會變小，尋北儀的精度會變差甚至完全喪失尋北功能。

尋北儀能夠全天候24 h不間斷工作，并具有很高的可靠性，不受氣候、外磁場等外部環(huán)境的影響，且尋北儀不需要接收任何外部信息，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、火炮、坦克和汽車等載體中。

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)現(xiàn)有尋北儀產(chǎn)品的測量精度能達(dá)到0.1°，遠(yuǎn)小于天線的波束寬度(1.8°)，尋北時間一般不大于3 min，使用緯度小于80°，可以滿足無人機地面站標(biāo)校的精度要求。

3 結(jié)束語

本文研究了基于GPS的無人機地面站的標(biāo)校方法，分析了誤差存在的原因并提出了解決措施，該措施的可行性與有效性在工程實際標(biāo)校中得到了驗證?；趯け眱x的標(biāo)校方法，可以滿足無人機地面站的標(biāo)校精度要求，簡化了標(biāo)校過程，縮短了標(biāo)校時間，提高了無人機地面站的使用效能。

[1] 周祥生.無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展綜述[J].無線電工程，2008，38(1)：30-31.

[2] 韓玉輝.無人機測控信息傳輸有關(guān)系統(tǒng)問題探討[J].無線電工程，2008，38(8)：4-6.

[3] 陳衛(wèi)華，婁 亮，陳利鋒.光電軸匹配對艦炮跟蹤雷達(dá)指向精度的影響分析[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2015，6(1)：35-38.

[4] 金郁萍.常用大地坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[5] 姚景順，楊世興.艦載雷達(dá)的動態(tài)標(biāo)校[J].火力與指揮控制，2008(3)：128-130.

[6] 杜 娟，朱華邦.基于GPS技術(shù)的艦載探測系統(tǒng)標(biāo)校方法研究[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2013，42(1)：17-20.

[7] 楊 杰,張 凡.高精度GPS差分定位技術(shù)比較研究[J].移動通信,2014,38(2):54-58.

[8] 劉大杰，施一民，過靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996:173-176.

[9] 吳 冰，秦 昆.一種快速實用方位標(biāo)校方法及軸角變換系統(tǒng)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003(9)：36-37.

[10]段苛苛.基于光纖陀螺的尋北系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014:39-40.

耿 炎 男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：無人機測控技術(shù)。

Study on Calibration Method for UAV Ground Station

GENG Yan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The paper introduces the calibration method,calibration principle and calculation process of the ground station of UAV based on GPS.There are two kinds of calibration methods used at present:aircraft calibration method and beacon calibration method.For each calibration method,the reasons for calibration errors are analyzed in detail,and the solutions are put forward.To solve the problem that the calibration accuracy is influenced by the external factors and the process is complex,a simple and efficient calibration method based on north finder is presented.And the working principle of the north finder is also introduced.At present,the measuring precision of the north finder is 0.1 degree,and it is feasible to use the finder for calibration.

UAV;calibration;north finder

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.17

耿 炎.無人機地面站標(biāo)校方法研究[J].無線電工程,2016,46(11):68-70.

2016-08-09

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105)。

TN820.4

A

1003-3106(2016)11-0068-03