基于机载GPS/INS测量组件的光电经纬仪动态测量精度评定方法

穆高超，钱礼华，党 峰，邱 纯，李云超

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

0 引言

光电经纬仪是靶场试验测试中重要的测量设备，对弹箭飞行过程进行实时跟踪，实时记录其飞行图像，通过图像判读完成对运动目标在光电经纬仪坐标系下的方位角和俯仰角的测量，事后交会处理得到目标的空间坐标、飞行速度等外弹道参数。测角精度的高低，直接决定外弹道参数的测量精度。

当前，光电经纬仪设备研制单位对光电经纬仪具备一定出厂检测能力，但设备返厂校准方式存在多方面问题：一是设备组成复杂、结构精密、造价昂贵、运输困难，远距离颠簸运输增大了失准、损坏的可能性；二是送检周期长，定期校准困难，影响武器装备科研生产进度。受此局限，目前光电经纬仪现场条件下一般采用星校方式对处于工作状态的光电经纬仪进行校准，这种方式可对光电经纬仪静态测角总精度和系统功能进行总体评估，存在的主要问题是：由于星体红外辐射微弱致红外测量头难以成像，使得红外测量头无法得到校准，仅能对可见光测量头进行校准；对星体观测的角速度较低，与设备实际工况差异大。所以该方法也难以系统全面地完成对光电经纬仪动态测角精度进行校准。

因此，如何在靶场条件下对光电经纬仪动态测角精度进行评定，确保光电经纬仪提供的外弹道测量数据精度，是当前靶场亟待解决的问题。针对这一难题，提出利用无人机搭载GPS/INS测量组件测量的高精度动态时空位置信息，采用数据差值分析完成光电经纬仪动态测角精度的具体校准方法。

1 基于无人机平台的光电经纬仪动态测量精度评定原理

利用无人机作为空中运动平台，无人机通过机载吊舱携带GPS/INS测量组件和光电合作目标按照规划航路飞行，GPS/INS组件实时测量并记录其空间位置坐标和无人机姿态，经GPS差分处理和姿态数据位置修正得到合作目标定位数据；光电经纬仪同步跟踪无人机机载光电合作目标，测量其指向合作目标方位角和俯仰角；通过吊舱通信链路，将差分GPS定位数据下传至数据处理地面站；通过数据处理地面站按时间同步要求将差分GPS定位数据换算为光电经纬仪指向无人机光电合作目标的方位角、俯仰角值，将其作为标准值与光电经纬仪的测量值进行差值统计分析，得到光电经纬仪动态测角误差。评定原理如图1所示。

图1 基于无人机平台的光电经纬仪动态测角精度评定方法原理框图

2 无人机校准系统

无人机校准系统是为被鉴定光电经纬仪提供基准值和合作目标的系统。系统主要由无人机飞行平台、机载GPS/INS测量组件、光电合作目标、数据处理地面站组成。

2.1 机载GPS/INS测量组件

机载GPS/INS测量组件主要由GPS/INS定位定向测姿分系统、无线通信组合、光源控制组合组成。

2.1.1 GPS/INS定位定向测姿分系统

GPS/INS定位定向测姿分系统由吊舱GPS/INS定位定向测姿装置(移动站)和地面GPS基准站组成。通过GPS载波相位差分技术和双频快速解整周模糊度技术精确求解载体的位置、时间和航向角，结合惯性测量单元获得空中吊舱高精度的航向、滚转、俯仰等信息，可对合作目标光源由于吊舱姿态变化造成的偏差进行修正。

吊舱GPS/INS定位定向测姿装置主要由GPS/INS定位定向测姿组合、双频GPS天线、无线通信电台、空载无线通信天线组成。地面GPS基准站由GPS基准站(基站)、双频GPS天线、无线通信电台、无线通信天线组成。其原理框图如图2所示。

图2 GPS/INS定位定向测姿分系统原理框图

2.1.2 无线通信组合

无线电通信分系统完成空中与地面载波相位差分所需信息的高速实时传递，主要考虑数据的传输距离和传输速率满足RTK(real-time kinematic)通信要求,经计算需要其无线传输速率为19.2 kbit/s，端口传输速率为38.4 kbit/s。天线选用机载型专用天线，可以有效地降低风阻。

2.1.3 光源控制组合

光源控制组合是光电经纬仪动态校准的主要组成设备。在光源、光源控制组合、GPS/INS测量装置等共同参与下完成单台或多台光电经纬仪的测角动态校准。

光源控制组合完成光源闪光时刻的准确控制，闪光控制组合主要包括控制电路和充电电路，如图3所示。

图3 光源控制组合组成原理框图

2.2 光电合作目标

光源即光电合作目标，光源为地面测量设备提供标准的测试目标，光源选用高流明的专业全光光源，具有足够的大气穿透性，能够在校飞范围内被光电经纬仪识别并准确捕获。无人机上共安装两个光源，在进行脱靶量校准时，两光源之间的距离作为标准距离。进行动态测角精度校准时，只采用其中的一个光源，其时间统一为UTC(universal time coordinated)。为确保光电经纬仪全程校准过程能观测到光源，必须将其安装在吊舱底部凸出部位。

2.3 数据处理地面站

地面数据处理站主要包括数据记录设备与信息数据处理及数据显示组合两部分。主要用于记录机载校准吊舱内各校准设备的实时数据，实时处理与显示校准信息，输出校准结果。

3 无人机校飞航路设计

为了保证校飞的校准精度以及方位角、俯仰角的动态校准范围，需要对无人机航路进行设计，明确无人机飞行的校飞坐标系、校准基准点位、进入(退出)条件、航路高度、航向、航路最大有效航程等参数。

3.1 校飞坐标系

选用被校光电经纬仪的测站坐标系。定义轴方向与无人机有效航程方向平行，轴垂直于大地水平面方向，建立右手笛卡尔直角坐标系。校飞过程如图4所示，其中点为测量设备站点；点、点为无人机远离或进入航路点；为航路相对高度；、分别为测量设备方位角、俯仰角；为被校设备距无人机的最大有效航程。

图4 校飞过程原理示意图

3.2 航路高度

航路高度应能保证测量设备在跟踪过程中地面不应进入被校设备视场，所以航路高度应满足：

≥·tan()

(1)

式中：为测量设备最大视场。

3.3 基准点位

动态校飞时，被校准设备架设基准点位应经过三级大地测量。

3.4 最大有效航程

综合考虑无人机飞行时间与有效进入次数的关系，航路有效航程拟定为20 km，能够保证每个飞行架次有效进入3次，且每个有效进入被校准设备的采集时间不小于180 s。

3.5 航路进入(退出)条件

(2)

式中：为机载校准装置的定位精度，取0.2 m；为机载校准系统的动态角度校准精度，取10″；为航路高度，取2 000 m；为设备的保精度测试俯仰角，取6°。

则在地面的最小投影距离′为：

(3)

根据上述无人机航路参数、飞机速度(50 m/s)、校准基准点位，经计算从航路退出点到远端10 000 m处飞机提供的角速度为由0.45°/s降至0.034°/s。目前光电经纬仪执行任务时，正常稳定跟踪目标的角速度一般小于0.6°。

3.6 校飞程序

1)根据被校准光电经纬仪的性能和精度设计出一个最佳布站几何和飞机校飞航路；

2)对无人机校准系统调试并做好准备工作后，通过基准点对GPS/INS测量组件的定位精度进行地面校准；

3)对被校准光电经纬仪布设到位并调试后，校飞前分别用正、倒镜对选定的方位标进行拍摄；

4)在时统信号的同步下，被校准光电经纬仪对安装有合作目标的无人机进行跟踪测量；

各个学者做的实证研究几乎都是从母语对二语写作、阅读、语法等方面的影响，但得到的结果却不同。有的研究结果得出母语迁移对二语习得产生正迁移，有的研究结果得出母语迁移对二语习得产生负迁移。原因在于，母语对第二语言学习产生的作用受多方面的因素影响，而不是受单一因素影响，因而学者们实证研究得到的结果不同。

5)每架次飞行前后各测量一次测站及高空的湿度、气压和温度；

6)每架次飞行结束后，光电经纬仪分别用正、倒镜对选定的方位标进行拍摄。

4 数据处理方法

光电经纬仪动态校飞直接获得的数据有两类，一类是光电经纬仪跟踪飞机(观察光电合作目标)记录的图像数据，另一类是无人机机载GPS/INS测量组建获得的无人机航迹定位数据。数据处理主要是将这两类数据分别处理成基于光电经纬仪站址的方位角、俯仰角形式，光电经纬仪跟踪记录无人机图像处理的数据为测量数据，无人机机载校准装置获得的数据为校准数据。

4.1 光电经纬仪测量数据处理

步骤1：采用光电经纬仪图像处理软件判读光电经纬仪跟踪记录的无人机图像，判读位置为光电合作目标中心，输出判读结果文件；

步骤2：采用外弹道数据处理软件将判读结果处理合成为方位角、俯仰角形式；

步骤3：对步骤2的处理结果进行单项差修正；

步骤4：对步骤3的处理结果进行大气折射修正(记录校飞试验时段的气象数据)。

4.2 机载GPS校准装置数据处理

步骤1：将记录的无人机航路轨迹经纬度定位数据转换为站址坐标系数据格式。站址坐标系：原点为被校准光电经纬仪的测站坐标，轴方向为无人机有效航程方向，轴垂直于大地水平面方向，建立右手笛卡尔直角坐标系。输出数据结果为T(时间)、A(方位角)、E(俯仰角)格式。

步骤2：采用光电经纬仪数据处理软件将位置数据转化为基于被校准光电经纬仪站址的方位角、俯仰角形式数据T、A、E格式。

4.3 校准数据统计分析

将被校设备测量数据与校准数据进行比对做差，统计被校准光电经纬仪的测量精度，统计结果包括系统误差、随机误差和均方根误差。

(4)

随机误差公式：

(5)

均方根误差为：

(6)

式中：′为第个进入中取样的观测点数；Δ为第个进入中第个一次差。

动态校飞试验中，方位角、俯仰角的测量误差均采用式(4)～式(6)统计。

5 校飞试验

按照上述方法对靶场某型光电经纬仪测量精度进行了一次基于机载GPS/INS测量组件的无人机实飞验证测量。试验利用W-50型无人机作为动态校准平台，通过搭载GPS/INS测量组件与合作目标构成空中动态基准，试验共飞行无人机一个架次两个航路，通过校飞对基地某型光电经纬进行了动态校准验证。验证试验基本情况为：

1)被检测光电经纬仪测角精度30″(方位角、俯仰角均是)；

2)机载GPS/INS测量组件定位精度0.2 m;

3)无人机飞行高度2 000 m，取无人机航路6.8～10.8 km机载GPS/INS测量组件的位置数据作为标准值。

图5为光电经纬仪的测量值与标准值的对比。经统计分析，标准值与测量值的方位角均方根11″、俯仰角均方根14″，而设备测量精度为30″，结果说明该台光电经纬仪测试精度在指标范围内，数据是有效的。

图5 光电经纬仪角度实测值与标准值比对

6 结束语

文中论述的方法，可使靶场大量的光电经纬仪在试验场区内得到及时、定期、全面的校准，其在现场测量条件下动态测量不确定度能够得以控制及评定，测量数据真实客观地反映武器系统战术性能，为武器系统性能设计优化和战技指标评定提供技术保障。