无GPS与BDS卫星导航条件下空降兵集结定位技术研究

靳晓蕾 王洪源 何婉昀

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7203

摘  要：在空降作战中，快速集结是部队的一项重要能力，能大幅提高队伍的生存率和战斗力。GPS在战斗中易受干扰无法使用。本文在禁用GPS的条件下，针对快速集结中的快速定位问题，设计一款结合无线电测向、激光测距的电子罗盘系统，该系统采用HMC5883L三轴磁阻传感器测量载体三个轴的磁场强度，采用MPU6050加速度传感器在罗盘倾斜的情况下计算姿态角对测量值进行补偿，得到方位角。利用激光测距测得行走距离，通过三角定位的方法，计算出目标信号源的具体位置，达到快速集结的目的。

关键词：无线电测向  电子罗盘  磁力计  加速度计

中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0069-03

Research on the Positioning Technology of Airborne Soldiers Aggregation under the Condition of Non-GPS/BDS Satellite Navigation

JIN Xiaolei  WANG Hongyuan*  HE Wanyun

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning Province，110159  China）

Abstract： In airborne operations， rapid assembly is an important capability of troops， which can greatly improve the survival rate and combat effectiveness of troops. GPS is easily disturbed in battle and cannot be used. In this paper， an electronic compass system combining radio direction finding and laser ranging is designed under the condition of disabling GPS. The system uses hmc5883l three-axis magnetoresistive sensor to measure the magnetic field strength of the three axes of the carrier， and mpu6050 acceleration sensor to calculate the attitude angle when the compass is tilted to compensate the measured value， get the azimuth. The walking distance is measured by laser ranging， and the specific position of the target signal source is calculated by triangulation， so as to achieve the purpose of rapid assembly.

Key Words： Radio direction finding;  Electronic compass; Magnetometer; Accelerometer

空降兵的作戰方式是空降到战场，高机动性是空降兵的特点之一。由于空降兵跳伞后，空投物资和人员着陆位置分散，散布范围非常广，设计并实现一套快速搜寻物资并快速集结的系统是必要的。国外的集结定位设备完全依赖GPS，GPS在战争状态下易受干扰，因此需要开发出GPS停用时的应急替代设备。现有的单值无线电测向设备，只能探测无线电信标的方向，无法测量距离，在实际作战中需要配合地图与指南针使用，非常不方便。

本文将MEMS传感器、电子罗盘、激光测距与RSSI技术相结合，设计了一种不依靠卫星定位的自动化测向系统，解决了空降兵跳伞着陆后快速集结这一难题。

1  无线电测向的三角定位原理

无线电测向是利用测向设备确定无线电波的来波方向，以测出目标信号源的方位，这种测向设备称为无线电测向机[1]。无线电定位在此基础上，进一步确定了目标信号源的具体位置。

理论上，测出两个不同测向点的目标方位，连接2个测向点与目标信号源作出两条直线，已知2个测向点之间的距离，即可得到第二次测向点到达目标信号源的距离[2]。利用构建直角坐标系的方法，坐标原点O设为第一次测向点，y轴为地磁北极方向，x轴为磁北方向垂直向右方向。

在坐标原点O处，将目标信号源设为点A，在点O处测量点A的方位角a。沿着y轴方向行走一段距离h到达第二次测向点B，在点B处测量点A的方位角b，连接2个测向点与目标信号源，如图1所示。

根据正弦定理，即可得到目标信号源在测向点B的方位角为b、距离为处。

2  基于MEMS的自动化定位技术

本研究采用MEMS加速度传感器+电子罗盘+激光测距+RSSI集成技术。

2.1 RSSI

RSSI指接收信号的强度指示。无线电测向发射机的发射功率一定的情况下，随着距离增加，接收信号的强度会越来越弱，根据信号强弱测定目标信号源的方向与距离[3]。

2.2 电子罗盘

电子罗盘通过测量地磁场水平分量计算方位角。电子罗盘水平放置时，x轴是载体前进方向，y轴垂直于x轴向右，两轴处于同一平面，z轴沿重力方向向下，载体坐标系与水平坐标系重合[4]。

2.3 MEMS加速度传感器与电子罗盘结合

在空降作战中，落点是随机的，无法保证罗盘保持水平，此时需要使用加速度传感器计算姿态角对测量值进行补偿。姿态角是载体的倾斜程度，由俯仰角和横滚角构成，当罗盘倾斜时，载体由水平面沿x轴旋转的角度为横滚角θ，载体沿y轴与水平面的旋转角度为俯仰角φ[5]。如图2所示。

罗盘倾斜时载体坐标系与水平坐标系不重合，经过坐标变换，计算出地球磁场在x、y、z3个轴上水平分量Xh、Yh、Zh，如图3所示。

通过加速度计测得重力加速度g在载体坐标系下三个轴上的分量分别是Xg，Yg，Zg，根据几何关系计算横滚角θ与俯仰角φ，如下所示。

磁传感器测量磁场强度在三轴上的分量分别为Hx、Hy、Hz，则罗盘倾斜时水平方向的磁分量Xh、Yh，如下所示。

则地磁航向角在整个象限内的表达式如下。

磁偏角是地磁南北极与地理南北极的夹角，且磁偏角受纬度影响。本文只需确定发射台的具体位置，因此不用考虑磁偏角，只需测得地磁航向角即可。

2.4 激光测距

激光测距选择手持红外激光测距仪，这种仪器小巧便携，采用相位式光学系统，量程为0.2～120m，测距精度较高[6]。

2.5 系统设计

本系统采用HMC5883L和MPU6050共用I2C总线的方式与Arduino Mega 2560控制板相连，系统框图如图4所示。

Arduino Mega 2560控制板负责处理传感器采集的数据，显示模块利用Processing软件编写的界面，将处理后的数据存储并发送至PC机，通过串口通信将数据直观的显示出来，如图5所示。

3  实验研究

本系统实验过程可以描述为：空降兵跳伞后，在落点A处通过无线电测向机与电子罗盘分别得到目标信号源X与Y的方位角β1、β2。此时空降兵朝磁北方向行走h米到达点第二个测向点B，在落点B处通过无线电测向机分别得到目标信号源X与Y的方位角β3、β4，如图6所示。

根據正弦定理，可以分别得到测向点B到目标信号源X和目标信号源Y的距离，，。

4   结语

本文针对空降兵快速集结问题设计了一个无线电测向与电子罗盘相结合的测向系统，该系统通过无线电测向探测目标信号源的方位，使用HMC5883L磁阻传感器和MPU6050加速度传感器采集数据，通过Arduino控制板对数据分析处理计算地磁航向角，用激光测距仪测量行走距离，通过三角定位的方法，最终确定发射机位置。

参考文献

[1] 何伟杰.基于无人机平台的无线电测向技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.

[2] 郭永宁.基于多旋翼无人机的低空无线电监测与定位系统研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2020.

[3] 王凯.无线电测向定位方法在新型无线电干扰查找中的运用研究[D].南昌：南昌大学，2019.

[4] 高俊.基于磁阻传感器的高精度电子罗盘设计[D].北京：中国科学院大学（中国科学院国家空间科学中心），2018.

[5] 陈敏.基于各向异性磁电阻的高精度电子罗盘设计研究[D].北京：电子科技大学，2019.

[6] 吴奇轩.高精度激光相位测距系统的FPGA实现[D].西安：西安电子科技大学，2020.