耿 炎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

無人機(jī)地面站標(biāo)校方法研究

耿 炎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了無人機(jī)地面站基于GPS的標(biāo)校方法、標(biāo)校原理和計(jì)算過程。目前使用的標(biāo)校方法有2種：飛機(jī)標(biāo)校法和信標(biāo)標(biāo)校法。針對(duì)每種標(biāo)校方法，詳細(xì)分析了標(biāo)校誤差存在的原因，并提出了解決方案。針對(duì)標(biāo)校精度受外界因素影響大、標(biāo)校過程復(fù)雜的問題，給出了一種基于尋北儀的簡(jiǎn)潔高效的標(biāo)校方法，并介紹了尋北儀的工作原理。目前國(guó)內(nèi)尋北儀的測(cè)量精度為0.1°，說明用尋北儀對(duì)無人機(jī)地面站進(jìn)行標(biāo)校是可行的。

無人機(jī)；標(biāo)校；尋北儀

0 引言

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈作為連接地面站與無人機(jī)的信息紐帶，是實(shí)現(xiàn)地面操控人員對(duì)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的信息通道，其性能和規(guī)模在很大程度上決定了整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的性能和規(guī)模[1]。無人機(jī)地面站完成對(duì)無人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤、定位和視頻信息傳輸功能[2]。地面站跟蹤無人機(jī)有無線電跟蹤和數(shù)引跟蹤2種方式。在無線電跟蹤模式下，通過地面站的測(cè)距測(cè)角可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的定位，當(dāng)機(jī)載GPS受干擾時(shí)，可引導(dǎo)飛機(jī)返航；在數(shù)引跟蹤模式下，地面站利用飛機(jī)下傳的定位信息，可引導(dǎo)天線實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)，保證鏈路暢通。地面站測(cè)控天線俯仰為寬波束，方位為窄波束，一般只進(jìn)行方位跟蹤。無人機(jī)地面站測(cè)控天線方位標(biāo)校的精度直接影響著對(duì)無人機(jī)的跟蹤定位精度。

1 基于GPS的標(biāo)校方法

1.1 標(biāo)校原理

目前無人機(jī)地面站采用的是基于GPS的標(biāo)校方法，基本原理如下：地面站通過無線電搜索、跟蹤測(cè)控目標(biāo)，找到天線的電軸；然后將地面站和目標(biāo)的GPS定位信息進(jìn)行計(jì)算，得出目標(biāo)基于地面站的方位角，以此作為天線的光軸的真值；地面站測(cè)控天線的光軸和電軸是平行的[3]，以此對(duì)地面站方位角進(jìn)行標(biāo)校。

1.2 真值計(jì)算

GPS采用的是WGS-84大地坐標(biāo)，使用時(shí)必須將飛機(jī)的GPS坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到以無人機(jī)地面站為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)[4]。下面簡(jiǎn)要介紹坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。首先要將GPS測(cè)得的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)；再將空間大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)；最后再將站心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)[5-7]。

首先要將GPS測(cè)得的大地坐標(biāo)(緯度B、經(jīng)度L和高度H)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)(X，Y，Z)。在同一參心坐標(biāo)系中，地面點(diǎn)的參心空間直角坐標(biāo)與相應(yīng)的參心大地坐標(biāo)存在以下關(guān)系[8]：

(1)

將無人機(jī)的空間大地直角坐標(biāo)(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)如下：

(2)

式中，

X0、Y0和Z0為站心的空間大地直角坐標(biāo)；B0和L0為站心的大地坐標(biāo)的緯度和經(jīng)度。

將無人機(jī)的站心直角坐標(biāo)(x，y，z)轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)(D，β，ε)：

(3)

式中，(D，β，ε)為無人機(jī)相對(duì)于地面站的斜距、方位角和俯仰角。

由于無人機(jī)地面站測(cè)控天線只對(duì)方位進(jìn)行一維跟蹤，方位角β即為所需的真值。

1.3 標(biāo)校方法

目前采用的標(biāo)校方法有2種：利用飛機(jī)進(jìn)行標(biāo)校和利用信標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校。2種方法原理相同，但由于使用方法不同，引入的標(biāo)校誤差不同。

1.3.1 飛機(jī)標(biāo)校法

飛機(jī)停在駛?cè)朦c(diǎn)或起飛線上，根據(jù)機(jī)場(chǎng)的具體情況，地面站與飛機(jī)之間的距離不確定，一般在100～1 000 m之間。地面站通過無線電搜索，最終跟蹤對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)，飛機(jī)的GPS定位信息通過測(cè)控鏈路傳到地面站，地面站對(duì)飛機(jī)及自身的GPS定位信息進(jìn)行解算，得到方位角真值，對(duì)測(cè)控天線方位角進(jìn)行標(biāo)校。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通過飛機(jī)和地面站自身的信息在線完成標(biāo)校。

在某些情況下，飛機(jī)標(biāo)校法誤差較大，原因分析如下：

① 飛機(jī)的定位信息在下傳到地面站時(shí)一般會(huì)修正到飛機(jī)的幾何中心。地面站跟蹤的是飛機(jī)上的測(cè)控天線，飛機(jī)的定位信息并不能真實(shí)地反映測(cè)控天線的位置。對(duì)于大型無人機(jī)來說，這個(gè)誤差不能忽略。

② 地面站距離飛機(jī)太近，飛機(jī)及地面站自身的GPS定位精度低，造成的方位角偏差超出波束寬度。

③ 機(jī)場(chǎng)的建筑、車輛及周圍山體等自然環(huán)境造成的多徑干擾，導(dǎo)致地面站測(cè)控天線跟偏。

④ 測(cè)控天線在飛機(jī)上受機(jī)體自身的反射、遮擋，造成嚴(yán)重的多徑干擾，致使地面站跟蹤偏離，這種情況導(dǎo)致的標(biāo)校誤差很大(一般會(huì)超出波束寬度)，造成標(biāo)校結(jié)果無法使用。

針對(duì)以上原因，在利用飛機(jī)標(biāo)校時(shí)可以采用以下措施減小標(biāo)校誤差，使標(biāo)校誤差小于地面站天線的波束寬度：

① 通過幾何關(guān)系，將飛機(jī)的定位信息轉(zhuǎn)換成機(jī)上測(cè)控天線的位置信息，再利用測(cè)控天線的位置計(jì)算方位角真值；

② 地面站位置盡量遠(yuǎn)離駛?cè)朦c(diǎn)或起飛線；飛機(jī)一般采用差分GPS，定位精度較高，地面站的車載或手持GPS定位精度較低，可用高精度GPS進(jìn)行標(biāo)定；

③ 地面站測(cè)控天線俯仰角避免出現(xiàn)負(fù)角度，一般要大于1°，可有效地減少多徑的影響；

④ 飛機(jī)起飛后，結(jié)合航跡規(guī)劃，在距離地面站5 km外，飛機(jī)沿近似徑向飛行時(shí)重新標(biāo)校。由于飛機(jī)升空，地面多徑干擾減小，而且距離較遠(yuǎn)，標(biāo)校精度可達(dá)到0.1°(地面站天線波束寬度為1.8°)，可以正常引導(dǎo)天線跟蹤無人機(jī)。如果要在天線自跟蹤模式下，通過地面站測(cè)距、測(cè)角對(duì)無人機(jī)進(jìn)行定位，則需要根據(jù)定位精度要求在更遠(yuǎn)距離進(jìn)行標(biāo)校，進(jìn)一步提高標(biāo)校精度。

1.3.2 信標(biāo)標(biāo)校法

地面站站址變更后，如果無人機(jī)不是從本場(chǎng)起飛，地面站需要用信標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校方法如下：

① 在機(jī)場(chǎng)環(huán)境開闊的方向上，距離地面站大于1 000 m，選擇一個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)(或用手持GPS采集)，用支撐桿將信標(biāo)架高3 m以上；

② 開啟信標(biāo)，地面站天線仰角為1°左右，開始方位搜索，當(dāng)天線跟蹤上信標(biāo)時(shí)(誤差電壓為0)，記錄天線伺服系統(tǒng)上報(bào)的角度；

③ 按上述方法搜索5次，如果天線跟蹤角度不收斂(超出波束寬帶)，將天線仰角抬高1°重新搜索；

④ 直到連續(xù)5次搜索的方位角收斂時(shí)，將信標(biāo)機(jī)坐標(biāo)手動(dòng)輸入監(jiān)控軟件，進(jìn)行標(biāo)校，至此完成了一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)校。

由于機(jī)場(chǎng)周圍建筑、車輛和山體等環(huán)境影響，無線傳輸不可避免地存在多徑干擾。在同一坐標(biāo)點(diǎn)，多徑干擾可能相對(duì)穩(wěn)定，標(biāo)校結(jié)果可能存在一個(gè)固定偏差。

建議在其他方向上另選2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)校，3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于地面站的方位差大于60°。最后對(duì)3個(gè)標(biāo)校值進(jìn)行平均處理，誤差大于天線波束寬度的視為無效值。

2 基于尋北儀的標(biāo)校方法

尋北儀是利用高精度陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速率，通過解算求得載體縱軸與北向之間的夾角來實(shí)現(xiàn)尋北功能[9]。把尋北儀水平安裝在地面站艙體上，尋北儀的北向與艙體縱軸平行。在靜止?fàn)顟B(tài)下尋北儀可以快速地測(cè)量出艙體縱軸與地理真北的夾角，即初始方位角。伺服系統(tǒng)的方位零度指向與艙體縱軸方向是重合的，因此該角度可以作為天線的初始方位角。

尋北儀的工作原理如圖1所示[10]。

圖1 尋北儀原理示意

若將尋北儀安裝在載體的水平面上，使其陀螺的敏感軸Yg方向在水平面內(nèi)與地理坐標(biāo)的北向Yn平行，則陀螺敏感到的角速率為ωN；若敏感軸Yg在水平面內(nèi)與地理北向有一夾角α，則此時(shí)陀螺輸出的ω為水平分量ωN在敏感軸上的投影，即

ω=ωNcosα=ωecosLcosα。

(4)

由式(4)得，陀螺敏感軸與真北的夾角為：

(5)

同時(shí)，從式(4)可以看出，在高緯度地區(qū)，cosL接近于零，這時(shí)系統(tǒng)的信噪比會(huì)變小，尋北儀的精度會(huì)變差甚至完全喪失尋北功能。

尋北儀能夠全天候24 h不間斷工作，并具有很高的可靠性，不受氣候、外磁場(chǎng)等外部環(huán)境的影響，且尋北儀不需要接收任何外部信息，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、火炮、坦克和汽車等載體中。

經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)現(xiàn)有尋北儀產(chǎn)品的測(cè)量精度能達(dá)到0.1°，遠(yuǎn)小于天線的波束寬度(1.8°)，尋北時(shí)間一般不大于3 min，使用緯度小于80°，可以滿足無人機(jī)地面站標(biāo)校的精度要求。

3 結(jié)束語

本文研究了基于GPS的無人機(jī)地面站的標(biāo)校方法，分析了誤差存在的原因并提出了解決措施，該措施的可行性與有效性在工程實(shí)際標(biāo)校中得到了驗(yàn)證?；趯け眱x的標(biāo)校方法，可以滿足無人機(jī)地面站的標(biāo)校精度要求，簡(jiǎn)化了標(biāo)校過程，縮短了標(biāo)校時(shí)間，提高了無人機(jī)地面站的使用效能。

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耿 炎 男，(1976—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：無人機(jī)測(cè)控技術(shù)。

Study on Calibration Method for UAV Ground Station

GENG Yan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The paper introduces the calibration method,calibration principle and calculation process of the ground station of UAV based on GPS.There are two kinds of calibration methods used at present:aircraft calibration method and beacon calibration method.For each calibration method,the reasons for calibration errors are analyzed in detail,and the solutions are put forward.To solve the problem that the calibration accuracy is influenced by the external factors and the process is complex,a simple and efficient calibration method based on north finder is presented.And the working principle of the north finder is also introduced.At present,the measuring precision of the north finder is 0.1 degree,and it is feasible to use the finder for calibration.

UAV;calibration;north finder

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.17

耿 炎.無人機(jī)地面站標(biāo)校方法研究[J].無線電工程,2016,46(11):68-70.

2016-08-09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2013AA122105)。

TN820.4

A

1003-3106(2016)11-0068-03