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一套使用于码头和海上的无人机精度检测系统电动冲床

发布时间:2019-12-11 08:04:30 来源:宇测五金网

航天测量船测控设备(主要包括大型标校经纬仪和雷达等设备)一般通过海上校飞或坞内标校手段进行设备跟踪测量精度鉴定,除此之外,在码头和海上通常采用测控设备跟踪信标球(标定球)、过境卫星或同步卫星的方式来检测雷达设备测量精度。但是这些精度检测方式都存在一定的局限性,如施放信标球(标定球)成本高、不可重复使用、跟踪时受天气环境因素影响大,也只有部分测控设备可以通过跟踪过境卫星和同步卫星达到精度检测的目的。由于海上校飞和坞内标校工作并不是每年都例行开展,所以迫切需要一种能够重复使用、受天气环境因素影响小、效费比高,且普遍适用于所有测控设备的精度检测方案。起身,仰望,额间清愁已入眼底。薄洒的酒香,肆意熏醉,蒸晕了两腮,嫣红。

若使精度检测对所有测控设备具有普遍适用性,就必须建立外部参考基准。建立外部基准至少需要满足3个条件:

1、跟踪测量目标和测量船大地测量坐标(或相对位置关系)精确已知;

2、外部目标测量系统和测量船时间系统需严格一致;

3、测量设备跟踪坐标与大地测量坐标需归算至同一坐标系下进行精度检测。

在实际应用中,只要测量船惯性导航和变形测量设备能够提供符合精度指标的数据,通过坐标变换就可以将两类坐标系进行归算。对于统一时间问题,测量船能够提供卫星导航系统对时的精确时间。那么,建立外部参考基准的主要问题就集中在测量船位置、跟踪目标位置和时间的精确测量上了。根据目前空间目标位置确定技术的发展水平和以往海上校飞经验来看,使用卫星导航系统进行跟踪目标差分定位和授时是最有效和最可靠的手段。海上校飞时,安装在大飞机上的导航卫星接收机一般采用较为成熟的商用类型,校飞实施过程中除了对接收机天线有要求外,对接收机的重量、体积等因素均没有具体要求。对于本文要研究的测控设备精度检测系统来说,也需要一个接收机搭载平台,该搭载平台应能够同时满足测控设备精度检测的动态范围要求,跟踪测量目标满足精度检测的角度、距离要求,且搭载平台有较好的电磁屏蔽能力和续航力等。对于上述要求,多旋翼无人机在飞行高度、飞行距离和续航力等方面可以很好地胜任,并且具有飞行安全系数高、可操控性强、可重复使用等优点。由于多旋翼无人机的载重能力要远小于校飞飞机,为2kg左右,所以如何在降低设备体积和重量的同时,又不损失跟踪目标位置与时间测量精度,且有较好的电磁屏蔽能力,是需要解决的问题。随着我国北斗卫星导航定位系统(BDS)2020年左右信号覆盖全球,如何在测控设备精度检测中有效利用北斗卫星导航定位系统进行差分定位技术研究也成为本文的研究重点。

一、无人机差分定位技术原理

无人机差分定位的关键技术在于实现BDS/GPS载波相位差分定位。其基本原理是在跟踪目标附近开阔地设置基准站,基准站坐标精确已知。在无人机和测量船上设置流动站,流动站距离基准站数公里之内(即短基线),且同步接收导航卫星信号。事后对基准站和流动站接收数据进行二次差分处理,最后获得流动站的精确位置。

以北斗B1频点为例,某颗北斗卫星发送至接收机的载波相位观测方程为:式中:上标p表示卫星编号;下标i表示接收机编号;φ表示载波相位观测量;λ为B1频点载波波长;ρ为卫星至地面接收机之间的几何距离;带有下标的dt表示接收机钟差;带有上标的dt表示卫星钟差;T为对流层延迟误差;I为电离层延迟误差;N为载波相位整周模糊度;ε为载波相位观测噪声。

从式⑴可知,载波相位观测方程中存在多种测量误差影响,如卫星钟差、卫星轨道误差、对流层误差、电离层误差和接收机钟差等。由于通过误差建模的方式难以完全反映误差的分布,在实际工作中,根据两个相距不远的接收机同步观测相同卫星具有很强相关的特性,采用两个观测站的观测方程进行线性组合,就可以达到消除或减弱误差源的目的。例如,基准站和流动站接收机同时对两颗卫星进行同步观测,在两个观测站和两个不同卫星的观测方程间依次求差,就可以获得二次差分虚拟观测方程,即双差观测方程。

在双差观测方程中,接收机钟差已被消除,一次差分虚拟观测方程中残余下来的电离层和对流层折射误差得到进一步减弱,若忽略观测噪声的影响,在接收机间和卫星间求差得到的双差虚拟观测方程为:从式⑵可知,在短基线情况下,只要双差观测方程中的未知量得到确定,流动站就可以给出厘米级的定位精度。如果使用的接收机能够接收双频或三频卫星信号,双差虚拟观测方程将拥有更多的冗余观测量,有利于双差整周模糊度的快速搜索与确定。

二、测量船测控设备精度检测的实现

由于固定站可以提供绝对位置坐标,并且可以对测量结果进行检核,所以测量船精度检测工作一般选择在码头进行。通常在地势较高的开阔地布设基准站,在无人机和测量船上设置流动站,其布局如图1所示。测量船测控设备稳定跟踪路径规划好的无人机,基准站和流动站同步记录卫星观测数据。随后将流动站与基准站数据一同进行事后差分处理,数据处理过程中可以选择BDS、GPS或BDS+GPS 3种方案进行坐标解算,最终获得测量船和无人机带有时间标记的大地测量坐标。在海上时,测量船和无人机没有地面基准站提供数据支持,此时可以采用无基准站的动态差分定位模式,即以测量船为动态参考点,解算测量船至无人机之间的相对位置关系。码头期间之所以设置基准站,主要可以观察测量船和无人机的运动状态,起到数据检核和改进无人机飞行方案设计的目的。测控设备精度检测系统布局

在基准站和流动站精度检测系统正常工作后,六旋翼无人机飞行至预定空域,测量船标校经纬仪和雷达设备跟踪测量无人携带的信标球。考虑到测控设备电磁波折射修正是在惯性导航地平坐标系下进行计算的,所以首先需要将测量坐标系下测控设备跟踪无人机的坐标,经过船摇和船体变形修正后,转换到惯性导航地平系,然后将无人机精度检测系统解算的差分坐标归算至惯性导航地平系,最后在同一坐标系下进行测角和测距精度检测。

三、实验与结果分析

以国内某公司生产的接收机芯片为基础,研制了适用于无人机的小体积、轻质量、高精度的定位系统,该系统可以同时接收GPS双频和BDS三频数据。实验进行了精度检测系统匹配测试、单站静态和多站动态差分定位精度测试。精度检测系统匹配测试和静态测试的目的是检验单套系统整体性能,分析天线和定位模块接收处理信号精度情况;在确定单套精度检测系统性能的基础上,实施BDS/GPS多站差分定位实验,以检验流动站精度检测系统动态定位解算性能,分析差分固定解的定位精度和固定率情况。单套精度检测系统组成如图2所示,测试设备如表1所示。精度检测系统组成表1精度检测系统测试设备

1、精度检测系统单站静态测试

为了测试精度检测系统的基本性能,本文在固定基准站进行了静态测试实验。实验共录取了5h BDS/GPS双频原始观测数据,事后使用BDS/GPS最终卫星精密轨道与钟差数据、地球自转参数和卫星相位中心改正等外部数据进行动态精密单点定位坐标解算,将解算的静态测试结果与基准站已知坐标相比较。如图3所示,使用BDS双频数据解算时,在纬度、经度和高程方向的综合测量误差分别为4.03、5.46和3.49cm,使用GPS数据解算精度与BDS基本一致。实验表明,单套精度检测系统的原始观测数据测量精度较高,天线相位中心稳定,精度检测系统各模块之间的匹配性较好。精度检测系统单站BDS定位精度

2、精度检测系统差分定位测试

实验在测量船和无人机上分别设置精度检测系统流动站,于是就建立了基准站-测量船(1.0km)、基准站-无人机(5.1km)与测量船-无人机(4.4km)3条短基线。由于短时间内测量船在码头位置变化不大,所以可以从基准站-测量船基线分析出固定解的大致测量精度。实验中,基准站和测量船流动站接收机同步录取了约1h BDS观测数据。从基准站-测量船基线差分结果得出,在纬度、经度和高程方向测量船的位置变化范围如图4所示。短时间内测量船位置变化范围

由BDS差分定位结果可知:测量船位置变化连续、稳定,数据没有出现跳变。若BDS差分定位结果为固定解,就可以认为定位结果在厘米级。

由于在实际应用中,观测方程中整周模糊度解算的固定率将直接影响定位精度。图5为采用不同卫星导航系统情况下3条测量基线整周模糊度固定率情况。从图5中可以看出,整周模糊度固定率最高的为基准站-测量船基线,不管使用BDS、GPS还是两个系统组合定位,其固定率都超了94%,这是因为基准站视野开阔且固定不动,加之测量船位置变化范围较小,船上接收机天线虽有测控天线遮挡,但遮挡范围有限。自BDS亚太地区部署后,在东部沿海地区能够观测到的北斗卫星数量较GPS卫星要多,且信号质量较好,使用北斗数据的3条基线固定率为都超过了91%。不同卫星导航系统3条基线整周模糊度的固定率

3条基线中固定率较差的是测量船-无人机基线,使用GPS数据的基线固定率仅为61.19%,原因是无人机的机动性范围较大,且雷达设备上功率时电磁环境复杂,影响了卫星信号质量。从实验结果可知,在进行测控设备测角、测距精度检测时,可以使用BDS+GPS组合差分方式进行测量船和无人机精密定位。

3、测控设备精度检测实验

实验中,六旋翼无人机在测量船附近空地起飞,基准站至无人机基线长约4.4km,起飞最大高度约375,精度检测系统提前进行数据录取。测控设备精度检测实验

脉冲雷达和标校经纬仪设备完成目标捕获,标校经纬仪激光器和脉冲雷达设备录取了约4min有效测距数据,稳定跟踪无人机约17min。在数据处理中,使用BDS+GPS双频数据进行差分解算。测量船一般将坞内标校得出的设备参数作为后续实验的依据,实验中分别使用2014和2015年坞内标校参数计算出的标校经纬仪(JWY)和脉冲雷达(ML)设备测距和测角数据,然后将坞内标校结果同精度检测系统(GNSS)结果相比对(表2)。通过实验数据可知,脉冲雷达设备使用两次坞内标校参数的测量精度相差不大,而标校经纬仪使用2015年参数的测量精度要好于2014年参数。此结论与测量船跟踪测量精密轨道卫星的处理结果一致,证明了无人机精度检测系统的正确性,为测控设备合理配置设备参数提供了依据。表2测控设备精度检测结果

结束语

本文从理论角度分析了无人机差分定位技术应用于测量船测控设备精度检测的可行性,详细论证了北斗卫星导航系统在差分定位中的关键技术。研制了一套使用于码头和海上的无人机精度检测系统,通过单站静态实验和双站差分实验,验证了无人机精度检测系统的性能与精度指标。并通过测控设备跟踪测量无人机实验,检测了测量船测控设备测距、测角精度,为测控设备合理配置设备参数提供了依据。注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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