第31卷第5期飛機設(shè)計Vol 31 No 52011年10月AIRCRAFT DESIGNOct 2011文章編號:1673-4599(2011)05-006404地空靶場實時GPS偽距差分測量系統(tǒng)的應(yīng)用研究劉軍,潘文瀚2(1.海軍駐沈陽地區(qū)航空軍代表室,遼寧沈陽110034(2沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司,遼寧沈陽110034)摘要:地空靶場實時GPS差分高精度測量系統(tǒng)是當(dāng)代飛機飛行試驗中解決火控系統(tǒng)標(biāo)校、測控系統(tǒng)校飛或?qū)椢淦飨到y(tǒng)精度試驗等問題的有效手段,是地空靶場測控系統(tǒng)的重要組成部分。本文基于偽距觀測量的GPS實時差分定位的原理以及對數(shù)學(xué)模型的分析,論述了將GPS實時定位技術(shù)應(yīng)用于地空靶場中機載或彈載導(dǎo)航系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。文中詳細(xì)的規(guī)劃了基準(zhǔn)站和移動站以及它們之間實時互訪的構(gòu)建方案。關(guān)鍵詞:差分GPS(DCFS);實時測量;偽距;地空靶場試驗中圖分類號:V264.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudying about application of Real Time GPs Measuring Systemby False Distance in the Shooting Range of Ground and SkyLIU Jun Pan Wen-han(1. Aeronautical Military Commissary Office of Navy in Shengyang RegionShenyang 110034, China(2. Shenyang Aircraft Industries( group)Co. Ltd, Shenyang 110034, ChinaAbstract The real time differential GPS measuring system in the shooting range of ground and sky isthe valid instrument for solving the problem for example marking the system of firepower controling,flying checking about the system of measuring and controlling or the precision test of missilesystem, and is the important composition in system of measuring and controlling of the shootingrange of ground and sky. This design and fabrication introduces the way of realization of using thetechnology of GPs real time positioning in the system of navigation carried by airplane or missile inthe shooting range of ground and sky based on the principle of real time GPS measuring system byfalse distance in the shooting range of ground and sky and also the analyzing of maths model. Layoutthe project of building the fiducial station and movement station and also real time exchange visitsbetween themKey words: differential GPS( DGPS ) real time measing; false distance test about shooting rangeof ground and sky現(xiàn)代地空靶場試驗中經(jīng)常完成以下測量任測量設(shè)備精度驗收、火控系統(tǒng)的標(biāo)校和測控系統(tǒng)務(wù):導(dǎo)彈武器系統(tǒng)精度試驗、空中靶標(biāo)測量的校飛。這些項目要求本系統(tǒng)既能夠?qū)︼w機、標(biāo)收稿日期:201008-31;修訂日期:2011-07-13劉軍等:地空靶場實時GPS偽距差分測量系統(tǒng)的應(yīng)用研究靶等動態(tài)目標(biāo)髙精度定位,又作為髙精度位置基要求不高,可以忽略不計。忽略衛(wèi)星星歷的誤準(zhǔn)對靶場其它測量設(shè)備進(jìn)行精度檢測,同時還具差,將由廣播星歷所得的衛(wèi)星坐標(biāo)作為已知值有強大的信息實時處理、事后處理和傳輸通訊能由上述改正之后,式(1)中的未知數(shù)只有測站坐力。地空靶場實時GPS差分高精度測量系統(tǒng)是解標(biāo)x,y,z和接收機鐘差,則只需觀測4顆衛(wèi)星就決以上問題的有效手段,是地空靶場測控系統(tǒng)的可解出這4個未知數(shù)。將觀測方程繞測點近似坐標(biāo)重要組成部分。本文采用測碼偽距觀測量進(jìn)行實進(jìn)行線性化,將觀測歷元所有的觀測量寫成矩陣時GPS定位。偽距單點定位精度較低,使用P碼形式(或Y碼)的精密定位服務(wù)(PPS),只有美國軍L +V=AX(4)方及特許用戶使用。使用C/A碼的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)式中:L為觀測值向量;V為改正數(shù)向量;X為未(SPs),精度在30m左右。美國為自身的安全利知數(shù)向量(XYZ6T);A為相應(yīng)的系數(shù)矩陣。設(shè)所益,采取選擇可用性政策(SA),利用CA碼的平有的偽距觀測量為等精度,權(quán)陣設(shè)為單位陣。面定位精度降到約100m,垂直誤差約150m,使當(dāng)觀測量n<4時,無解;許多導(dǎo)航定位不能采用C/A碼偽距單點定位技術(shù)。n=4時,有唯一解X=AL為提高定位精度,必須采用差分定位技術(shù),因為m>4時,有最小二乘解X=(AA)ALSA政策對差分法可認(rèn)為沒有影響,因而基于偽距當(dāng)測站坐標(biāo)的初始值誤差較大時,可采用迭觀測值的差分法定位,近年來成為國內(nèi)外研究的代法求解。課題。22實時差分法動態(tài)定位動態(tài)相對定位是采用2臺GPS接收機。一臺接2動態(tài)定位的數(shù)學(xué)模型收機在已知點上固定,稱為參考站;一臺接收機21單點動態(tài)定位安置在運動載體上,稱為流動站。參考站和流動GPS定位的原理可敘述如下。將運動的衛(wèi)星站同步觀測視場中的衛(wèi)星,確定流動站與參考站作為已知點。設(shè)T為衛(wèi)星發(fā)射信號時的理想GPS之間的瞬時位置。具體實現(xiàn)DPS有4種方法:時刻;T為接收機收到信號的GPS時刻;ST為接①基準(zhǔn)站發(fā)播偽距校正,在流動站上處理;收機時鐘誤差;67為衛(wèi)星時鐘誤差;則考慮鐘差③基準(zhǔn)站發(fā)播位置校正,在流動站上處理的傳播時間為:③用戶粗測偽距值送基準(zhǔn)站,在基準(zhǔn)站進(jìn)行△=(768+7)-(Tms+67“)=(T-Tm)+8T6-67°差分處理再考慮電離層折射對測距的影響δ和對流層④用戶未校正的位置數(shù)據(jù)送基準(zhǔn)站,在基準(zhǔn)折射對測距的影響6,最后得衛(wèi)星至接收機的偽站進(jìn)行差分處理。距為我們選擇了第1種實現(xiàn)方式。動態(tài)相對定位P=C·(7-Tas)+C.0-C.8°+80、(1)用偽距差分的形式。由基準(zhǔn)站已知的wcS-84坐一般有位置差分和偽距差分兩種形式。本文采6e=P+C·δTb-C·T+e1+6式中:P為衛(wèi)星至接收機的幾何距離:標(biāo),計算觀測歷元測站與GPS衛(wèi)星的距離與其實P=√Xn-x)2+(xn-12+(z,-Z)2(2)際觀測的偽距觀測量之差,從而得一偽距改正量,將偽距改正量實時傳輸給流動站,修正流動衛(wèi)星在觀測瞬時的坐標(biāo)按廣播星歷計算;衛(wèi)星時鐘誤差也可利用廣播星歷計算:站所測的偽距,得流動站偽距觀測方程為δ7"=a0+a1(t-o)+a2(t-tax)(3)P,-4p=√(x,-X)3+(n-y)2+(z,-2z)C*M(5)式中:a為GPS衛(wèi)星鐘與GPS時間的鐘差;a為式中:△為基準(zhǔn)站與流動站接收機時鐘偏差之鐘速;a2為鐘漂;t為廣播星歷的星鐘參數(shù)參考差。若基準(zhǔn)站與流動站同步觀測的相同衛(wèi)星數(shù)大歷元,這些均可由導(dǎo)航電文中提取。電離層改正于等于4,即可求解流動站的位置,求解方法與單一般可采用導(dǎo)航電文所提供的電離層模型加以改點定位相同。利用差分模型,消除了星鐘誤差,正。對流層的影響可采用各種改正模型如 Hopfield在不大的范圍內(nèi),還可明顯削弱星歷誤差和對流層模型、 Saatamoinen模型等加以改正。如定位精度及電離層時延誤差,顯著提高動態(tài)定位的精度飛機設(shè)計第31卷3應(yīng)用系統(tǒng)總體構(gòu)成及原理分基準(zhǔn)站、流動彈載差分設(shè)備和配套軟件等組地空靶場動態(tài)GPS差分高精度測量系統(tǒng)由差成。系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。圓極化天線機載站機載站2線極化天線數(shù)據(jù)回傳數(shù)據(jù)回傳航空UHF天線播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)遙測天線固定差分測量活動差分測量活動差分測量綜合處理站指控中心綜合處理站1綜合處理站2基地多目標(biāo)測控網(wǎng)圖1系統(tǒng)組成原理圖31基準(zhǔn)站(地面)b.地面站數(shù)據(jù)電臺接收從彈載臺傳來的位3.1.1系統(tǒng)功能置、速度和航向的結(jié)果信息并實時存儲?；鶞?zhǔn)站主要用途是為被測目標(biāo)提供RTCM標(biāo)c.在地空靶場的電子地圖上,實時顯示兩個準(zhǔn)差分信息,并接收目標(biāo)回傳的定位信息;同時彈載目標(biāo)航跡及位置、速度、時間等信息記錄GPS原始信息,進(jìn)行事后解算;進(jìn)行多種數(shù)d.本系統(tǒng)中兩個彈載的原始數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,并把處理后的數(shù)據(jù)送到指控中心記錄器上,在進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理時,事后處理計完成測量數(shù)據(jù)精確計算,給出測量結(jié)果和精度范算機通過數(shù)據(jù)記錄器讀取這些數(shù)據(jù)。圍;實時顯示被測目標(biāo)的位置信息、電子地圖背e.數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以存儲在本地硬盤上,也景下的運動軌跡和其他相關(guān)參數(shù)?？梢酝ㄟ^以太網(wǎng)接口或標(biāo)準(zhǔn)串口向其它設(shè)備傳輸。a.基準(zhǔn)站雙頻接收機接收衛(wèi)星信號,其信息f.可將試驗狀態(tài)信息通過靶場網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街阜謨陕?一路送計算機進(jìn)行記錄,供事后處理使挖中心用。另一路形成偽距和載波相位差分信息,通過g.系統(tǒng)設(shè)備具有自檢功能,并通過指示燈表中心控制處理設(shè)備,按規(guī)定時隙送到數(shù)據(jù)電臺,明工作狀態(tài)。發(fā)往彈載目標(biāo)。3.12組成原理組成原理如圖2所示。GPS接收機AC/DC中央控制單元HX36000局域網(wǎng)HX3600220V計算機網(wǎng)絡(luò)供電畫MOXA串口卡數(shù)據(jù)處理計算機顯示處理計算機圖2基準(zhǔn)站組成原理第5期劉軍等:地空靶場實時GPS偽距差分測量系統(tǒng)的應(yīng)用研究673.2流動站(彈載323設(shè)備結(jié)構(gòu)321組成原理彈載設(shè)備安裝于特定彈殼內(nèi)。整體設(shè)備加裝彈載設(shè)備由GPS接收機、航空型GPS天線、在一個長的丁字金屬板上,分為左右兩個部分,中心處理器、HX3600電臺、記錄器、航空型專用其中右半部分(彈頭方向)為固定結(jié)構(gòu),左半部分UHF天線和高能電池組成,共配置2套。為快裝結(jié)構(gòu)。如圖4所示。彈載設(shè)備用來記錄GPS原始信息或解算出定位數(shù)據(jù),并通過數(shù)傳鏈路發(fā)送給地面基準(zhǔn)站,其電臺主要組成如圖3所示。=1此部分為可推拉結(jié)構(gòu)此部分為固定結(jié)構(gòu)圖4彈載設(shè)備結(jié)構(gòu)HX3600記錄器與電池組安裝在右推拉的快裝結(jié)構(gòu)件上,使用時沿著滑道推進(jìn)去即可。在下載數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)電池電池需要充電時可整體拉出。圖3彈載設(shè)備組成原理324整體加裝加裝設(shè)備包括機盒一套、GPS天線、數(shù)傳電臺天線各一套。GPS天線安裝在彈體上部,便于a.GPS接收機接收衛(wèi)星信號;數(shù)傳天線安裝在彈體下部,便于Javad雙頻20Hz接收機,主要完成GPS衛(wèi)星的與地面電臺通訊,如圖5所示。跟蹤、鎖定、解算并給出原始數(shù)據(jù)和導(dǎo)航結(jié)果。b.中心控制單元此部分為此部分為可處理GPS定位數(shù)據(jù)、打包形成的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)G天線固定結(jié)構(gòu)推拉結(jié)構(gòu)格式,并在合適的時序傳給電臺,最終發(fā)送到地面記永器c.GPS天線UHF天線航空型GPS雙頻天線。圖5彈載設(shè)備加裝d.數(shù)據(jù)記錄器4結(jié)束語保存GPS原始數(shù)據(jù),用于事后的高精度解算實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明,定位精度和速度e.數(shù)傳系統(tǒng)精度指標(biāo)可以滿足對飛機、標(biāo)靶等動態(tài)目標(biāo)高精UHF數(shù)傳電臺,航空專用F型天線度定位,作為高精度位置基準(zhǔn)對靶場其它測量設(shè)實時發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)到基準(zhǔn)站備進(jìn)行精度檢測,實時處理信息并提供給導(dǎo)航系接收地面基準(zhǔn)站發(fā)送的差分修正信息。統(tǒng),事后處理和傳輸通訊的要求。f電源參考文獻(xiàn)使用高性能鋰離子電池,可持續(xù)工作8h,重復(fù)使用500次以上,為彈載設(shè)備提供12V直流電周忠漠,易杰軍CPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用M北京:測繪出版社,1992源[2]劉基余,等.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用M]北京:測繪出版3.22系統(tǒng)功能社,2003a.GPS接收機接收衛(wèi)星信號;3]許其風(fēng),GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位M]北京:解放軍出版社b.原始測量數(shù)據(jù)存儲于靶上數(shù)據(jù)記錄器中;將定位數(shù)據(jù)通過電臺送給地面站作者簡介d接收地面基準(zhǔn)站發(fā)送的差分修正信息;劉軍(1965—),男,吉林白山人,碩土,高級工程師,主要從e系統(tǒng)設(shè)備具有自檢功能,并通過指示燈表潘文瀚(978-),男,遼寧海城人,工程師,主要從事飛機飛行明工作狀態(tài)式驗方面的研究工作