机载合作目标处高精度测量方法研究

刘 艳，张 旭，孙 杰

(中国人民解放军91550部队，辽宁大连116023)

0 引言

随着测控技术的发展，测控设备的测量精度逐步提高，飞行检验中真值高精度测量是试验的关键。真值测量的准确性、可靠性和运动姿态测量等问题是试验成功的重要影响因素。目前使用的差分GPS测量系统由于受基准站位置、GPS信号强弱及使用权限等多种因素的影响，有时会出现较大的测量误差，并有断点或断线现象，并且没有目标运动姿态的测量数据。GPS/INS组合导航是一种高精度导航方式，大多应用于各国精密制导武器、精确导航运载体等方面［1］。利用INS高精度姿态测量技术和GPS高精度位置测量，通过数据转换，获得合作目标处高精度运动参数测量结果。或者用户根据自己的需要，选择不同的定位模式来保证获得最佳的定位精度。采用GPS/INS进行目标运动参数真值测量是解决目前真值测量精度不够高、测量设备工作不可靠、运动姿态测量问题的有效手段。

1 飞行检验中真值测量的需求分析

1.1 飞行检验中真值测量的方法

飞行检验是为了检验测控设备技术性能进行的联合试验。以飞机为测量目标，按照预定的航路进行飞行，测控设备按照预定的跟踪航路区间进行跟踪测量。把高精度飞机运动轨迹的测量值作为真值，是测控设备对比的依据，因此，真值测量值是否准确、可靠是飞行检验成败的关键。真值测量方法是采用局域差分DGPS测量方法［2］，在不同的区域设有固定基准站，在飞机的不同部位分别布设移动的GPS测量设备，事后进行数据处理，解算出测控设备跟踪点或者合作目标处的运动参数，分别对光测、雷测和遥测设备进行性能检验或精度检验。

1.2 飞行检验真值测量中存在的不足

真值测量的精准度越高，对测控设备的检验校正就越准确。局域差分DGPS测量方法一定程度上满足了目前飞行检验中真值测量的要求。但在实际应用中也存在不足，主要表现在以下方面:

①GPS测量信号经常遇到信号遮挡及衰减，使信号不能使用。

②受多径干扰比较严重，造成大的测距误差，严重降低应用于精密测量的载波相位测距所需的模糊度解算处理性能。

③抗干扰能力比较弱，常常受到各种有意或无意的电子干扰，使其性能下降甚至无法工作［3］。

④真值测量点与测控设备的跟踪点有一定的差距。雷达测量设备跟踪的是雷达合作目标处，以红外跟踪为主的光测设备跟踪的是飞机发动机处，遥测设备所跟踪的是遥测信号发射处。目前的真值测量点是飞机前或后的某个部位，与测控设备跟踪点有一定的距离，存在一定的误差。离目标真实运动轨迹的测量有一定的差距。

⑤差分GPS测量的运动参数中没有目标飞行姿态的测量数据。

2 GPS/INS组合导航测量系统的优势

现在航空器上搭载的导航系统多为惯性导航系统与GPS全球定位系统的组合导航系统，通过对这2种导航系统的综合，取长补短，克服各自缺点，充分发挥各自优点，使组合后的导航系统精度高于各自导航系统的精度［4］。对GPS系统，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机动态特性和抗干扰性。对惯导系统，GPS系统的校正可以有效地提高惯导系统的性能和精度［5］。GPS/INS组合可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，使系统的体积、重量和成本都可以减少，且便于实现惯导和 GPS的同步，减小非同步误差［6］。总之，GPS/INS组合可以构成一种比较理想的导航系统，是目前导航技术发展的主要方向［7］。GPS/INS组合导航系统的优势主要表现在以下几个方面:

①GPS/INS组合对改善系统精度有利;

②GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力;

③解决GPS动态应用采样频率低的问题;

④组合系统可降低对惯导系统的性能要求;

⑤组合系统可高精度获得载体的运动姿态。

3 合作目标处的真值测量方法

在飞行目标跟踪过程中，由于测控设备工作的原理不同，测控设备跟踪的是目标的不同部位。合作目标是为了有效完成测控设备的测量跟踪，在飞机的不同部位安装一定的合作目标［8］，利于光测、雷测和遥测设备对飞机目标发现、跟踪。所以，合作目标处真值测量的精度是飞行检验的关键所在。

3.1 建立坐标系

建立地心空间直角坐标系:选取DX-1号参考椭球体原点OG为参考椭球中心，OGXG轴为赤道平面与本初子午面的交线，向外为正;OGZG轴与参考椭球体旋转轴重合，向上为正;OGYG轴在赤道平面内，与OGXG、OGZG轴构成右手直角坐标系。坐标系中的位置向量和速度向量记为XG。

建立测量坐标系(东北天坐标系):原点O为测量设备中心，OX轴位于O点的参考椭球体切平面内，指向大地东;OY轴位于O点的参考椭球体切平面内，指向大地北;OZ轴为O点的法线，向上为正。坐标系中的位置向量和速度向量记为X。

建立飞行体坐标系:原点OM为飞行体质心，OMXM轴为飞行员体纵轴，指向飞行体头部方向;OMYM轴位于飞行体纵向对称面内，与OMXM轴垂直，指向上为正;OMZM轴垂直于OMXMYM平面，与OMXM、OMYM轴构成右手直角坐标系。坐标系中的位置向量和速度向量记为XM。

3.2 飞行体坐标系与测量坐标系的转换关系

飞行体坐标系相对于测量坐标系的姿态，通常用3个姿态角参数(俯仰角ϑ、偏航角ψ、滚动角γ)来表示。俯仰角指绕横轴OMZM的转动角，迎OMZM方向逆时针为正;偏航角为绕立轴OMYM的转动角，迎OMYM方向逆时针为正;滚动角指绕纵轴OMXM的转动角，迎OMXM方向逆时针为正［9］。测量坐标系与飞行体坐标系的转换矩阵即为3个初等转换矩阵的乘积:

将飞行体坐标系的位置向量转换到测量坐标系中的表达式为:

3.3 测量坐标系与地心空间直角坐标系转换关系

测量坐标系的位置向量转换到地心空间直角坐标系中的表达式为:

式中，XGo为测量坐标系原点O在地心空间直角坐标系中的位置。

4 仿真计算及结果分析

下面模拟的合作目标处真值测量方法，是利用北斗星通有限公司提供的车载GPS/INS组合导航系统的数据进行模拟计算。利用地面车辆试验所获得的组合导航数据进行仿真计算，可有效验证飞机上使用组合导航系统对合作目标的测量方法。在飞行体坐标系下，距质心约2 m，车上指定P(x0，y0，z0)(合作目标处)，利用车载GPS/INS组合导航系统测量的导航数据，通过MATLAB软件计算，得到2组导航数据:一组为单独使用GPS测量系统，通过旋转、平移和转换，得到地心坐标系下导航数据;另一组为使用GPS/INS组合导航测量系统，通过旋转、平移和转换，得到地心坐标系下导航数据。由于载体是地面以跑车的方式进行运动，有时数据变化比较大。结果分析是建立在以某种状态下为真值进行比对的，目的是为了说明一种测量方式比另一种测量方式测量精度高，或者存在一定的测量误差。

4.1 仿真计算的结果

车上指定位置处单独使用GPS测量系统转换和GPS/INS组合导航测量系统转换2组数据比对。地心坐标系下2个系统在XYZ方向上的位置误差和均方根误差如图1所示。

图1 位置误差和均方根误差

4.2 仿真结果分析

通过计算和曲线分析，在X轴方向最大存在12 m误差;系统误差6.628 m;均方根误差7.150 m。Y轴方向最大存在12 m误差;系统误差8.211 m;均方根误差8.908 m。Z轴方向最大存在-28 m的误差;平均误差1.714 m;均方根误差2.839 m。这一算例说明，使用GPS/INS组合测量获得的导航数据与单独使用GPS测量获得的导航数据相比，总系统误差为11.387 m;总均方根误差为11.770 m。

5 结束语

合作目标处真值测量是飞行检验中的关键。通过对校飞中真值测量的需求分析，进一步明确了GPS/INS组合导航技术在飞行检验中应用的可行性。结合北斗星通提供的车载单GPS测量数据和GPS/INS组合测量数据进行仿真计算，用实例验证了2种导航方式在对合作目标位置测量上存在一定的测量误差。研究的结果表明:①GPS/INS组合导航在技术性能上可以相互补充，可有效提高系统的精度和可靠性;② 对合作目标处测量，使用带有姿态测量的组合导航系统比单一GPS测量系统的测量精度高，可靠性好。GPS/INS组合导航系统是解决飞行检验中存在问题的有效途径。

［1］ 张国良.组合导航原理与技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2008.

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［3］ 于 洁，王新龙.SINS/GPS紧密组合导航系统仿真研究［J］.航空兵器，2008(6):8-13.

［4］ 周星伶.GPS/INS组合导航系统松、紧耦合性能比较［J］.航空电子技术，2007，38(4):1-6.

［5］ GREWAL M.GPS惯性导航组合［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［6］ 李 跃.导航与定位［M］.长沙:国防科技大学出版社，2008.

［7］ 董绪荣.GPS/INS组合导航定位及其应用［M］.长沙:国防科技大学出版社，2005.

［8］ 武 征.海上靶场试验测控技术［M］.北京:国防工业出版社，2007.

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［10］袁建平.GPS在飞行器定位导航中的应用［M］.西安:西北工业大学出版社，2001:3-7.