地空靶场实时GPS伪距差分测量系统的应用研究

第31卷第5期飞机设计Vol 31 No 52011年10月AIRCRAFT DESIGNOct 2011文章编号:1673-4599(2011)05-006404地空靶场实时GPS伪距差分测量系统的应用研究刘军,潘文瀚2(1.海军驻沈阳地区航空军代表室,辽宁沈阳110034(2沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁沈阳110034)摘要:地空靶场实时GPS差分高精度测量系统是当代飞机飞行试验中解决火控系统标校、测控系统校飞或导弹武器系统精度试验等问题的有效手段,是地空靶场测控系统的重要组成部分。本文基于伪距观测量的GPS实时差分定位的原理以及对数学模型的分析,论述了将GPS实时定位技术应用于地空靶场中机载或弹载导航系统的实现方法。文中详细的规划了基准站和移动站以及它们之间实时互访的构建方案。关键词:差分GPS(DCFS);实时测量;伪距;地空靶场试验中图分类号:V264.3文献标识码: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现代地空靶场试验中经常完成以下测量任测量设备精度验收、火控系统的标校和测控系统务:导弹武器系统精度试验、空中靶标测量的校飞。这些项目要求本系统既能够对飞机、标收稿日期:201008-31;修订日期:2011-07-13刘军等:地空靶场实时GPS伪距差分测量系统的应用研究靶等动态目标髙精度定位,又作为髙精度位置基要求不高,可以忽略不计。忽略卫星星历的误准对靶场其它测量设备进行精度检测,同时还具差,将由广播星历所得的卫星坐标作为已知值有强大的信息实时处理、事后处理和传输通讯能由上述改正之后,式(1)中的未知数只有测站坐力。地空靶场实时GPS差分高精度测量系统是解标x,y,z和接收机钟差,则只需观测4颗卫星就决以上问题的有效手段,是地空靶场测控系统的可解出这4个未知数。将观测方程绕测点近似坐标重要组成部分。本文采用测码伪距观测量进行实进行线性化,将观测历元所有的观测量写成矩阵时GPS定位。伪距单点定位精度较低,使用P码形式(或Y码)的精密定位服务(PPS),只有美国军L +V=AX(4)方及特许用户使用。使用C/A码的标准定位服务式中:L为观测值向量;V为改正数向量;X为未(SPs),精度在30m左右。美国为自身的安全利知数向量(XYZ6T);A为相应的系数矩阵。设所益,采取选择可用性政策(SA),利用CA码的平有的伪距观测量为等精度,权阵设为单位阵。面定位精度降到约100m,垂直误差约150m,使当观测量n<4时,无解;许多导航定位不能采用C/A码伪距单点定位技术。n=4时,有唯一解X=AL为提高定位精度,必须采用差分定位技术,因为m>4时,有最小二乘解X=(AA)ALSA政策对差分法可认为没有影响,因而基于伪距当测站坐标的初始值误差较大时,可采用迭观测值的差分法定位,近年来成为国内外研究的代法求解。课题。22实时差分法动态定位动态相对定位是采用2台GPS接收机。一台接2动态定位的数学模型收机在已知点上固定,称为参考站;一台接收机21单点动态定位安置在运动载体上,称为流动站。参考站和流动GPS定位的原理可叙述如下。将运动的卫星站同步观测视场中的卫星,确定流动站与参考站作为已知点。设T为卫星发射信号时的理想GPS之间的瞬时位置。具体实现DPS有4种方法:时刻;T为接收机收到信号的GPS时刻;ST为接①基准站发播伪距校正,在流动站上处理;收机时钟误差;67为卫星时钟误差;则考虑钟差③基准站发播位置校正,在流动站上处理的传播时间为:③用户粗测伪距值送基准站,在基准站进行△=(768+7)-(Tms+67“)=(T-Tm)+8T6-67°差分处理再考虑电离层折射对测距的影响δ和对流层④用户未校正的位置数据送基准站,在基准折射对测距的影响6,最后得卫星至接收机的伪站进行差分处理。距为我们选择了第1种实现方式。动态相对定位P=C·(7-Tas)+C.0-C.8°+80、(1)用伪距差分的形式。由基准站已知的wcS-84坐一般有位置差分和伪距差分两种形式。本文采6e=P+C·δTb-C·T+e1+6式中:P为卫星至接收机的几何距离:标,计算观测历元测站与GPS卫星的距离与其实P=√Xn-x)2+(xn-12+(z,-Z)2(2)际观测的伪距观测量之差,从而得一伪距改正量,将伪距改正量实时传输给流动站,修正流动卫星在观测瞬时的坐标按广播星历计算;卫星时钟误差也可利用广播星历计算:站所测的伪距,得流动站伪距观测方程为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为GPS卫星钟与GPS时间的钟差;a为式中:△为基准站与流动站接收机时钟偏差之钟速;a2为钟漂;t为广播星历的星钟参数参考差。若基准站与流动站同步观测的相同卫星数大历元,这些均可由导航电文中提取。电离层改正于等于4,即可求解流动站的位置,求解方法与单一般可采用导航电文所提供的电离层模型加以改点定位相同。利用差分模型,消除了星钟误差,正。对流层的影响可采用各种改正模型如 Hopfield在不大的范围内,还可明显削弱星历误差和对流层模型、 Saatamoinen模型等加以改正。如定位精度及电离层时延误差,显著提高动态定位的精度飞机设计第31卷3应用系统总体构成及原理分基准站、流动弹载差分设备和配套软件等组地空靶场动态GPS差分高精度测量系统由差成。系统组成原理图如图1所示。圆极化天线机载站机载站2线极化天线数据回传数据回传航空UHF天线播发差分数据遥测天线固定差分测量活动差分测量活动差分测量综合处理站指控中心综合处理站1综合处理站2基地多目标测控网图1系统组成原理图31基准站(地面)b.地面站数据电台接收从弹载台传来的位3.1.1系统功能置、速度和航向的结果信息并实时存储。基准站主要用途是为被测目标提供RTCM标c.在地空靶场的电子地图上,实时显示两个准差分信息,并接收目标回传的定位信息;同时弹载目标航迹及位置、速度、时间等信息记录GPS原始信息,进行事后解算;进行多种数d.本系统中两个弹载的原始数据存储在数据据格式转换,并把处理后的数据送到指控中心记录器上,在进行事后数据处理时,事后处理计完成测量数据精确计算,给出测量结果和精度范算机通过数据记录器读取这些数据。围;实时显示被测目标的位置信息、电子地图背e.数据处理结果可以存储在本地硬盘上,也景下的运动轨迹和其他相关参数。可以通过以太网接口或标准串口向其它设备传输。a.基准站双频接收机接收卫星信号,其信息f.可将试验状态信息通过靶场网络传输到指分两路,一路送计算机进行记录,供事后处理使挖中心用。另一路形成伪距和载波相位差分信息,通过g.系统设备具有自检功能,并通过指示灯表中心控制处理设备,按规定时隙送到数据电台,明工作状态。发往弹载目标。3.12组成原理组成原理如图2所示。GPS接收机AC/DC中央控制单元HX36000局域网HX3600220V计算机网络供电画MOXA串口卡数据处理计算机显示处理计算机图2基准站组成原理第5期刘军等:地空靶场实时GPS伪距差分测量系统的应用研究673.2流动站(弹载323设备结构321组成原理弹载设备安装于特定弹壳内。整体设备加装弹载设备由GPS接收机、航空型GPS天线、在一个长的丁字金属板上,分为左右两个部分,中心处理器、HX3600电台、记录器、航空型专用其中右半部分(弹头方向)为固定结构,左半部分UHF天线和高能电池组成,共配置2套。为快装结构。如图4所示。弹载设备用来记录GPS原始信息或解算出定位数据,并通过数传链路发送给地面基准站,其电台主要组成如图3所示。=1此部分为可推拉结构此部分为固定结构图4弹载设备结构HX3600记录器与电池组安装在右推拉的快装结构件上,使用时沿着滑道推进去即可。在下载数据或数据电池电池需要充电时可整体拉出。图3弹载设备组成原理324整体加装加装设备包括机盒一套、GPS天线、数传电台天线各一套。GPS天线安装在弹体上部,便于a.GPS接收机接收卫星信号;数传天线安装在弹体下部,便于Javad双频20Hz接收机,主要完成GPS卫星的与地面电台通讯,如图5所示。跟踪、锁定、解算并给出原始数据和导航结果。b.中心控制单元此部分为此部分为可处理GPS定位数据、打包形成的标准的数据G天线固定结构推拉结构格式,并在合适的时序传给电台,最终发送到地面记永器c.GPS天线UHF天线航空型GPS双频天线。图5弹载设备加装d.数据记录器4结束语保存GPS原始数据,用于事后的高精度解算实测数据统计结果表明,定位精度和速度e.数传系统精度指标可以满足对飞机、标靶等动态目标高精UHF数传电台,航空专用F型天线度定位,作为高精度位置基准对靶场其它测量设实时发送GPS定位数据到基准站备进行精度检测,实时处理信息并提供给导航系接收地面基准站发送的差分修正信息。统,事后处理和传输通讯的要求。f电源参考文献使用高性能锂离子电池,可持续工作8h,重复使用500次以上,为弹载设备提供12V直流电周忠漠,易杰军CPS卫星测量原理与应用M北京:测绘出版社,1992源[2]刘基余,等.全球定位系统原理及其应用M]北京:测绘出版3.22系统功能社,2003a.GPS接收机接收卫星信号;3]许其风,GPS卫星导航与精密定位M]北京:解放军出版社b.原始测量数据存储于靶上数据记录器中;将定位数据通过电台送给地面站作者简介d接收地面基准站发送的差分修正信息;刘军(1965—),男,吉林白山人,硕土,高级工程师,主要从e系统设备具有自检功能,并通过指示灯表潘文瀚(978-),男,辽宁海城人,工程师,主要从事飞机飞行明工作状态式验方面的研究工作