受阅地面装备方队训练考核系统的设计与实现

周晶晶，徐友春，彭永胜，李建市

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011； 3.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)



● 基础科学与技术Basic Science & Technology

受阅地面装备方队训练考核系统的设计与实现

周晶晶1，2，徐友春3，彭永胜3，李建市3

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011； 3.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

为满足阅兵地面装备方队在行驶过程中必须遵循等速、骑线、标齐和卡距等要求，利用北斗实时动态差分定位和WIFI无线通信技术，设计了受阅地面装备方队的训练考核系统。利用北斗卫星定位和实时动态差分原理，构建车辆模型及地图模型，解算出等速、骑线、标齐和卡距等参数。最后通过软件处理后，将参数实时显示于车载端平板电脑上；利用无线通信把计算结果实时传输到方队指挥中心，实现远程监控和训练考核。

训练考核系统；北斗实时动态差分；无线通信

为纪念抗日战争胜利70周年，我国于2015年9月3日在天安门广场举行阅兵活动。为保障各阅兵装备方队的训练效果，同时给阅兵联合指挥部提供一种科学的考核手段，原总参作战部与总后军交运输部牵头，召集第一测绘导航基地、军事交通学院、卫星导航定位总站等单位，联合研制一套基于北斗实时动态差分(beidou system real time kinematic，BDS_RTK)定位和无线通信技术的阅兵装备方队训练与考核系统。训练系统主要对车辆方队的标齐、骑线、卡距、等速等要素进行考核。考核标准为：①标齐(同排面车辆的前后对齐程度)。同一排面的车标齐行驶，以基车为标准，僚车控制在±10 cm以内为合格。②骑线(车辆纵向沿直线行驶时左右偏差的程度)。以地上白(黄)实线为基准，左右偏差控制在±5 cm以内为合格。③卡距(基车前后之间保持的距离)。基车与引导车之间距离控制±50 cm内为合格。④等速(车辆匀速行驶控制的准确性)。在100 m范围内车速始终控制在10 km/h，折算为时间36 s，时间偏差控制在±0.15 s为合格。

在2009年国庆60周年阅兵时，方队训练采用基于机器视觉或激光的阅兵训练考核系统[1]。机器视觉训考系统主要存在以下问题：①等速和标齐测量精度受车辆抖动、姿态等因素影响很大，误差大；②受天气影响大，雨天、雾天、夜晚无法训练；③调试过程复杂，系统可靠性、稳定性不高；④技术保障工作量大，激光训考系统也存在着无法测量骑线功能，激光测量阵列的调试较繁琐，雨雪天气时无法训练及转移，保存时容易损坏等问题。

针对以上问颗，为满足阅兵训练和考核要求，本文设计了基于BDS_RTK的北斗精确定位的训练考核系统，以辅助阅兵训练和考评。

1　训练考核系统的组成

整个训练与考核系统由BDS_RTK测量系统、车载应用分系统、方队指挥中心应用分系统、联合指挥部应用分系统、数据中心和无线数据传输系统等部分组成。RTK测量系统采用上海司南和北京星网宇达两个厂家的设备，WIFI传输设备采用2.4 GHz和5.8 GHz两种频率的设备。其中2.4 GHz的WIFI设备适用于无车载平板电脑的系统，5.8 GHz的WIFI设备适用于有车载平板电脑的系统。本文主要介绍5.8 GHz WIFI有车载平板电脑的训考系统。

本次阅兵29个地面方队(27个地面装备方队和2个乘车方队)，规则方队的队形为“2+4×4”，即2台引导车，16台跟随车(少数特殊方队队形除外)。方队队形、方队指挥中心与联合指挥中心组成如图1所示。

图1　方队队形、方队指挥所与联合指挥部组成示意

图中：i-00j(i=1,2，…，29;j=1,2)为第i方队引导车(i-001为基车引导车)；i-k02(i=1,2，…，29;k=1,2,3,4)为第i方队第k排面基准车(基车跟随车)；其他车辆为僚车。i-002向i-001标齐，本排面僚车向本排面基准车标齐；后方基准车和前方基准车之间距离为卡距，后一方队的引导车001和前一方队的基准车402之间距离为方距； 所有车辆沿地面白(黄)实线骑线行驶，控制车速(等速)。方队指挥所可以监控本方队所有车辆的标齐、骑线、等速和卡距(方距)信息；联合指挥部可以监控所有方队车辆的标齐、骑线、等速和卡距(方距)信息。

1.1RTK测量系统

RTK测量系统由基准站、移动站和数传电台3部分组成。基站架设在训练场空旷无遮挡的适当位置，其电台广播最高波特率不低于19 200 bps，覆盖距离在无遮挡情况下可达10 km。移动站设置在每台车辆装备上，数据通过串口输出，最高波特率不低于115 200 bps。采用上海司南导航和北京星网宇达公司的卫星接收机，其定位精度均小于2 (CEP)，输出数据包括时间、经度、纬度、速度(东、北)、航向等。

1.2车载应用分系统

车载应用分系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统由车载平板电脑、稳压电源等设备组成。对于车载端，根据引导车、基车和僚车功能不同，需分别开发车载应用分系统软件。

(1)基车引导车软件。基车引导车是第一排面的基车，是整个方队的核心基准。需要计算和显示的参数有等速、骑线和方距(第一方队没有方距)。

(2)基车跟随车软件。基车跟随车是基车引导车后面的基车。需要计算和显示的参数有等速、骑线和卡距。

(3)僚车软件。僚车以基车为基准标齐。需要计算和显示的参数有等速、骑线和标齐。

规则方队和特殊方队各车软件不同，需分别开发。

1.3方队指挥所应用分系统

方队指挥所应用分系统由计算机、WIFI通信设备、UPS电源等设备组成。方队指挥所软件负责单个方队的实时训练情况监控，其内容包括无线数据传输、各车和方队成绩计算与图形显示、数据库、历史数据分析和曲线绘制等内容。方队指挥所存储的数据量相对较小，采用Access数据库保存。不规则方队指挥所软件单独开发。

1.4联合指挥部应用分系统

联合指挥部考核软件负责多个方队的考核工作，其内容包括无线数据传输、各车和方队成绩计算与图形显示、方队历史成绩查询和分析等内容。联合指挥部考核软件能自动识别规则编队和特殊编队，根据相应的编队形式进行不同的处理。

2　BDS_RTK训练考核系统的基本原理

2.1BDS_RTK定位原理

RTK是实时动态测量的简称。BDS_RTK定位原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于流动站上，基准站和流动站接收同一时间、同一北斗卫星发射的信号，基准站实时将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等无线传送给运动中的流动站，流动站通过接收基准站所发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站的基线向量(ΔΧ，ΔY，ΔΖ)。基线向量加上基准站坐标得到流动站每个点的大地坐标，通过坐标转换得到流动站每个点的坐标。只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果[2]。

设在t0时刻测得基站A相对于卫星s的载波相位观测为

(1)

(2)

2.2BDS_RTK定位误差及处理方法

BDS_RTK误差主要包括以下几个方面:与卫星有关的误差、与卫星信号的传播过程有关的误差以及与RTK接收设备有关的误差等。与卫星有关的误差主要有星历误差、卫星钟差、相对论效应；与卫星信号传播途径有关的误差主要有电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径效应；与接收设备有关的误差主要有RTK接收机钟差、RTK天线相位中心偏差、通道间的延迟误差。此外，地球自转、地球潮汐、软件模型误差等也是影响RTK测量结果的误差源。

通常上述误差绝大部分在RTK测量时，已通过模型改正或作业方式消除或者消弱，但一小部分误差不能通过模型改正或者作业方式消弱。本设计中，基准站与流动站之间的距离为几千米。在这样的距离情况下，由卫星至两点观测站电磁波传播路径上的大气状况甚为相似，因此基准站与流动站所受到的电离层误差、对流层误差影响均可通过差分得以消除。

3　BDS_RTK训练考核系统的实现

3.1地图与车辆建模

(1)地图建模。训练场长为gkm，宽为hkm，每隔3 m宽划分一条车道，共14条白(黄)车道线，每条车道线宽10 cm。

地图构建过程如下：在第1条车道线选择两个测量点M1、M2，第14条车道线选择一个测量点M3，从M3通过向M1、M2的直线作垂线，建立地图坐标系(如图2所示)。

图2　地图建模示意

由于车道线弯曲(实测发现每条跑道都不是标准直线，车道线两端偏差有5 cm左右)，如果把车道线视为直线模型，会带来较大误差。故将车道线转化为折线模型：每条车道线每隔10 m选择一个测量点，测量点选择在车道线的正中间，共选择N个测量点。用RTK设备测量每一个点的大地坐标(L，B)，之后将各点的大地坐标(L，B)转化为平面直角坐标(x，y)。L、B分别为大地经度、大地纬度；a、e、f分别为地球椭球长半轴、偏心率和扁率。BDS采用CGCS2000椭球模型，a=6 378 137 m，f=1/298.257 222 101，e2=2f-f2[3]。

选用6°高斯投影带，以北京昌平两点的大地坐标为例，经度分布在111°～117°之间，故可采用第19、第20投影带。6°高斯投影带算例见表1。

表1　6°高斯投影带算例

(2)车辆建模。测量车辆的长、宽、高，分别记为a、b、c(单位：m)。由于车辆结构设计不一，以及不能使北斗天线受到遮挡，北斗天线不一定能够放在车头车尾的正中间位置。假设北斗主天线(定位天线)位置A1点，从天线(定向天线)A2点，车头中心点P1，车尾中心点P2。以A1到A2的矢量为Y轴，以A1点为坐标原点，建立符合右手法则的车辆坐标系(如图3所示)。

图3　车辆建模示意

(3)车辆标定。车辆标定主要是利用北斗RTK测量设备精确测量车头车尾中心位置相对于主天线的偏移量(图3中的A1P1、A2P2)。将车辆停放在训练场水平地面上，将北斗天线水平放置在车辆的适当位置(尽量不要遮挡天线)，并标记好天线在车辆上的位置。检查报文设备定位状态，差分后进行预标定。观察预标定的坐标值和航向信息，若正常，将天线放在车头中心，与地面垂直，待接收机显示状态正常后，进行车前标定。按照相同方法进行车后标定，最后记录标定参数。

(4)坐标转换。所有的坐标都需要统一到地图坐标系中。设地图坐标系与车辆坐标系的纵轴与正北方向的夹角(航向角)分别为α、β。车辆进入地图坐标系后，首先将北斗天线A1、A2点大地坐标转换为地图坐标(a1,b1)、(a2,b2)，设车头中心点P1在地图坐标系中的坐标为 (x1,y1)，如图4所示。通过式(4)可以计算出车头中心点在地图坐标系中的坐标(x1,y1)，用同样的方法计算车尾中心点坐标(x2,y2)。

(4)

图4　坐标计算

3.2车辆实时参数计算与修正

(1)参数计算。训练考核系统4个参数：标齐、骑线、卡距(方距)、等速。不同车辆类型需计算的参数见表2。

表2　车辆类型对应参数

每辆车都要计算骑线和等速。计算骑线时，将车头中心点的横坐标与地图中每条车道线的横坐标进行比较，找到此刻离车辆最近的车道线进行匹配，计算出偏差ΔQ。ΔQ为负值时表示车辆此刻偏离本车道线的左侧；ΔQ为正值时表示车辆此刻偏离本车道线的右侧。北斗接收机输出车辆速度信息，可直接作为等速参数使用。

基车引导车计算方距时，计算本车车头中心点与前一方队基准车402的P2之间的距离，作为方距。僚车引导车向基车引导车标齐，1僚车、2僚车都向基准车标齐，3僚车向2僚车标齐。实验证明，在空旷的训练场地，等速误差为0.001 km/h，骑线、标齐，卡距、方距误差为0.02 m，满足训练精度要求。

(2)参数误差的修正。由于存在2．2中的误差，地图采集误差及标定误差等因素，系统不可避免的存在误差，因此初始化时必须进行修正。将方队车辆停放整齐并校准后，通过软件进行修正。根据“先修基车、后修僚车”的原则进行初始参数修正。当骑线参数大于20 cm，卡距参数大于200 cm，标齐参数大于100 cm时，程序认为此时车辆未停放到位，不允许修正；因误操作等原因导致数据偏差确实大于修正限制允许范围时，可以在车辆停放到位后，对修正值一键还原后再修正。

由于实际训练场道路有一定的倾斜，并考虑车辆高度带来的误差，在车辆行进中引入lateral_modify_ns、VehHeightPara、lateral_k三个参数，分别修正车道倾斜误差、车辆高度误差、修正系数误差。当数据出现丢失或延迟时，可以通过历史数据的推算方法推算车辆当前位置，然后计算标齐、卡距(方距)值。

3.3无线通信模块

根据车辆装备方队阅兵训练场地具体情况，要想实现对整个方队车辆的各参数实时获取，必须采用具有较高可靠性的无线局域网系统。方队主要通信设备有多倍通AP(access point)、多倍通Station、WiFi天线、平板电脑(无线模块)、电源。无线通信处于5.8 GHz频段，通信距离的典型值约为10 km。AP天线双极子全向天线，20 dBi天线增益。车载AP功率强，有效传输距离约为500～600 m，供电电压12 V，使用供电、数据一体模块连接。

方队AP相当于路由器，组成方队无线网络，方队平板电脑相当于终端接入方队网络。为提高联网效果，方队AP一般放在本方队第二排面的基准车上，联指AP放在各方队中心适当位置。按照车辆在方队中的位置，为每个平板电脑设置IP地址。引导车为001、002，而后按照一定的规则依次设置IP地址。考虑安全保密因素，在无线连接中设置了网络密钥钥匙。

3.4软件实现

BDS_ RTK训练考核系统软件分为单车车载软件、方指软件、联指软件。

(1)车载软件。主要功能是修正初始误差；计算骑线、标齐、卡距(方距)以及等速参数，显示车辆的实时位置及偏差，为驾驶员驾驶装备提供参考。所有车辆通过WIFI模块将本车定位信息在无线局域网内进行广播，各车读取本车所需的信息进行参数计算。

(2)方指软件。包括3个子系统：远程控制子系统、全景监控子系统、考核训练子系统。远程控制子系统可以实现在方队指挥所远程操控本方队每一台车上的车载计算机，可以不停止训练远程安装、调试软件，修正参数；全景监控子系统可以观察本方队所有车辆的实时位置，查看所有车辆的编号、等速、骑线、标齐/卡距等信息；考核训练子系统可以显示参与考核训练的车辆综合信息、单车和方队考试成绩及成绩曲线图等。

上文获取的骑线、标齐、卡距(方距)以及等速参数经车载端应用程序处理后，通过无线局域网传输到方指计算机中，实时显示并存储于训练考核系统软件数据库中，历史数据可查询，供方队指挥员远程监测、分析和管理。

(3)联指软件。包括联指全景监控和联指考核训练两个子系统。联指全景监控子系统可以观察所有方队、所有车辆的实时位置，查看方队编号、车辆编号、等速、骑线、标齐/卡距等信息；考核训子练系统可以显示各参与考核训练的方队综合考核信息，可以设置各考核参数不同权重，例如等速权重0.3、骑线权重0.3、标齐/卡距权重0.4，各方队车辆各项成绩按照所设置的权重加权平均，计算所有参考方队的考核分数。考核结束时，联指考核训练子系统按照排名顺序给出各方队的考核成绩。

4　结　语

本文设计的阅兵地面装备方队训练考核系统融合了北斗导航RTK定位技术、无线局域网等关键技术，实践证明系统的可靠性较高。车载应用系统能有效地帮助驾驶员控制等速，实时修正骑线和标齐误差;方队指挥所训练考核系统实现了训练指挥信息化，指挥员在指挥所能实时掌握整个方队的训练情况，并可以进行科学统计分析；联合指挥部可以组织所有方队按预案进行大联考，实时监控、掌握所有方队的训练情况。考核系统解决了旧系统测量误差大、受天气影响大、技术保障工作量大等问题，有效地提高了方队的训练效果。

[1]袁一,李伟,张军，等.基于机器视觉和无线通信的阅兵车辆装备方队训练考核系统设计与实现[J].军事交通学院学报，2010,12(2):50-53.

[2]吴北平.GPS网络RTK定位原理与数学模型研究[D].武汉:中国地质大学,2003.

[3]许承东,李怀建,张鹏飞，等.GNSS数学仿真原理及系统实现[M].北京:中国宇航出版社,2014:23.

[4]王威.导航定位基础[M].北京:科学出版社,2015：153.

(编辑：史海英)

Design and Realization of Training and Assessing System for Ground Armament Formations on the Base of BDS_RTK and Wireless Communication Technology

ZHOU Jingjing1, 2, XU Youchun3, PENG Yongsheng3, LI Jianshi3

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011，China;3.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In military parade, the ground armament formations must meet the requirements in terms of constant velocity, longitudinal aligning, lateral aligning and the distance between reference vehicles. The training and assessing system for ground armament formations is designed on the base of BDS_RTK positioning and wireless communication technology, and the vehicle and map models are built on the base of Beidou satellite positioning and RIK differential principle, according to which the constant velocity, longitudinal aligning, lateral aligning and the distance between reference vehicles are calculated. Processed in a software, these parameters are displayed real time on the vehicle terminal computer, which transmits the calculated results via wireless communication to the command center of the formations. The remote monitoring, training and assessing are thus realized.

training and assessing system; beidou system real time kinematic(BDS_RTK); wireless communication

2015-10-23；

2016-04-26．

国家自然科学基金项目(91120306、91220301)；天津市自然科学基金项目(14JCQNJC01600).

周晶晶(1986—)，男，硕士研究生；

徐友春(1972—)，男，博士，教授，博士研究生导师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.07.019

U471.15

A

1674-2192(2016)07- 0081- 06