基于双GPS接收机的自主定位定向系统的设计与实现(精)

第35卷第3期2010年5月测绘科学Sc i ence o f Survey ing and M app i ng V o l 35N o 3M ay作者简介:李可心(1980 ,男,河北隆化人,讲师,硕士,主要研究方向为信息融合、雷达数据处理。

E m a i:l l ekex i n @126 co m 收稿日期:2008 10 22基金项目:国防预研项目(BZ20070278基于双GPS 接收机的自主定位定向系统的设计与实现李可心,夏宏森(沈阳炮兵学院电子侦察指挥系,沈阳 110162摘要通过对目前武器装备定位定向手段存在的不足进行分析,提出了基于双GPS 接收机的自主定位定向系统的设计方案,给出了该系统的结构组成,阐述了定位定向的基本原理,并对实现该系统的关键技术进行了研究。

实践证明,该系统定位定向时间短、精度高,使用方便可靠,满足武器装备作战使用的要求,对于提高武器装备的快速反应能力具有重要的意义。

关键词自主定位定向;全球定位系统;载波相位差分中图分类号 P228 1 文献标识码 A 文章编号 1009 2307(201003 0180 031 引言在未来战争中,自行火炮和炮兵侦察校射雷达等间瞄武器和侦察定位装备(统称载体正发挥着越来越重要的作用。

在影响这些武器系统作用发挥的诸多因素中,测地保障是其中最重要的因素之一。

能否为这些装(备提供全天候、实时、快速、准确地测地保障,将直接影响到炮兵火力反应的速度和侦察定位的精度,甚至关系到战斗的成败。

由于未来高技术条件下作战全天候、全天时的特点,作战行动将不分昼夜连续实施,而我军目前的测地保障受测地车、测地器材等条件的限制,在夜间实施的难度较大,并且增加了组织协同的复杂性。

当对载体定位定向的时间和精度要求较高时,以往只能采用基于惯性技术的导航寻北仪,这种装置的主要缺点是成本高,一般在30万以上。

G PS 一般只用于定位,无法对载体进行定向[1]。

为解决这一方面的问题,我们研制设计了基于双GPS 接收机的自主定位定向系统。

该系统内置两台GPS 接收板,采用载波相位差分定位技术,实现对载体的定位定向,具有成本底、性价比高、使用范围广、定位定向时间短、精度高的特点。

2 系统的结构组成及基本工作原理2 1 系统结构组成系统的组成框图如图1所示。

图1 自主定位定向系统组成框图中心计算机选用STX 接口连接形式的嵌入式PC ,用以完成对整个系统的控制及数据处理。

该模块体积小、功耗低,对外接口形式方便、可靠。

模块通过STX 接口直接连接用户自行开发的特殊功能底板,可实现真正意义上的嵌入式应用,减少中间连接环节,提高了可靠性。

G PS 接收板采用较为先进的A shtech G 12接收板,其作用是处理从天线过来的卫星信号,转化成能够计算机处理的数字信号。

A sh tech G12接收板以其优越的性能在高精度海、陆、空导航应用中建立了一个新标准,这种功能强大的12通道接收机为实时导航、定位和原始数据输出提供20H Z 更新率。

G12差分精度优于40c m,定位等待时间小于50m s ,它提供的精确三维位置可以满足高端OE M 系统集成的应用要求。

G 12融合了全视野跟踪,能同时跟踪12颗星且失锁后的重捕时间小于2s ,获得的定位精度优于40c m,且几乎于捕捉到卫星后立即得到这样的精度,不精确的信号由RA I M (接收机自主完善性监测消除,而且A sh tech 的选通相关技术能有效地消去多路径效应,从而获得最佳的定位精度。

该系统配有RS 232定位定向数据输出接口,实现与其他设备进行数传通讯的功能。

战时根据作战需要,可扩展为数字化自动定位定向指挥系统。

为保证装备的统一供电要求,该系统采用+12V 电源供电。

2 2 定位原理G PS(G l oble P ositi on i ng Syste m 全球定位系统是美国第二代卫星导航系统,其基本原理是通过G PS 接收机对卫星发出的伪距信号进行解码,计算出地球上的绝对位置,为了获得定点的定位信息,必须同时依赖四颗卫星。

按照定位方式,G PS 定位可以分为单点定位和相对定位(差分定位。

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机的位置,它只能采用伪距观测量,虽然设备简单,但是由于受到卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差的影响,其定位精度较低,约为5~10m 的精度级。

差分G PS 分为两大类:伪距差分和载波相位差分。

其中载波相位差分(R ea l T i m eK i ne m atic是一种将GP S 与数传技术相结合,实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法,经实时解算进行数据处理,在1~2s 时间里得到高精度位置信息的技术[2,3]。

本系统采用载波相位差分技术,将其中一台GPS 接收机作为基准站,另一台作为移动站,将基准站采集的载波相位发送给移动站,进行求差解算坐标。

载波相位差分可以抵消系统的公共误差,使定位精度达到厘米级。

载波相位差分的观测模型为:= +c d T -d t + N +d tro p -d io n +d p r al + 式中: 相位测量值,m;星站间的几何距离;c 光速;第3期李可心等基于双GP S 接收机的自主定位定向系统的设计与实现d T 接收机钟差;d t 卫星钟差; 载波相位波长;N 整周未知数;d tr op 对流层折射影响;d io n 电离层折射影响;d pral 相对论效应;观测噪声参数。

因轨道误差、时钟差、电离层折射及对流层折射影响难以精确模型化,所以在数据处理中采用双差观测值方程来解算[4],在定位前需先确定整周未知数。

在该系统中,采用伪距和相位相结合的方法。

首先用伪距求出整周未知数的搜索范围,再用L 1和L 2相位组合和后继观测历元解算和精化。

利用伪距估计初始位置和搜索空间,快速定出精确的初始位置。

2 3 定向原理本系统的定向原理如图2所示。

利用两台GPS 卫星信号接收机的原始数据输出,通过载波相位快速差分定位软件,精确解算出两个天线中心的相对位置坐标 x 和 y 。

X =X 2-X 1; Y =Y 2-Y 1则有: =arc tan YX图2 系统定向原理示意图依据 X 和 Y 的正负取值及 ,即可得到两个天线中心连线的方位角AZ ,并在同时给出两个天线中心的W G S-84坐标,通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标,进而实现定向。

在两个天线相距较近(小于100m 的情况下, X 和 Y 的误差小于5mm 。

3 关键技术的实现3 1 坐标转换G PS 接收机接收到卫星信号是以经纬度表示的W G S 84坐标系。

该坐标系是协议地球坐标系,其坐标原点在地球质心,为了获得便于使用的平面直角坐标系,需要进行高斯克吕格投影计算,转化为平面直角坐标系。

高斯克吕格投影是一种等角横切圆柱投影 ,其坐标系的横轴为赤道,纵轴为中央经线,坐标原点为中央经线与赤道的交点[5],高斯投影计算的原理如图3所示。

图3 高斯投影原理图高斯投影计算的条件为: 中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴; 高斯投影中为了限制长度变形,采用等角分带投影计算; 投影后中央经线上没有长度变形。

高斯投影的计算公式为:X B O =C O B cos B C 1s i n B +C 2sin 3B +C 3s i n 5B t =tan B l =L -L O m O =l cos BN =1-e 2sin 2B 2=e 21-e2cos 2Bx =X B O +12N t m 2O +1245-t 2+9 2+44N t m 4O+172061-58t 2+t 4N t m 6O y =Nm O +161-t 2+ 2Nm 3 O+11205-18t 2+t 4+14 2-58 2t 2Nm 5O式中:L 、B 为转换前的经纬度坐标;x 、y 为转换后的高斯坐标;L 0为投影带的中央经线坐标, 为克拉索夫斯基椭球的长半轴,e 为克拉索夫斯基椭球的第一偏心率;C 0、C 1、C 2、C 3为与点位无关而只与椭球参数有关的常数。

经过高斯投影计算便可以由GPS 接收机输出的WG S-84坐标系经纬度信息解算出点的高斯-克吕格坐标系纵、横坐标。

再进行相应的坐标系平移和旋转,便可以计算出军方采用的BJZ54坐标系中的位置。

3 2 GPS 数据采集图4 G PS 数据采集流程图G PS 数据的采集过程如图4所示。

G PS 接收机数据从遥测数据中分离出来后,利用星历数据计算出观测到的卫星位置,然后对RTCM SC 104标准格式数据进行解码,得到伪距改正数和伪距改正数变化率和星历数据,然后进行实时定位解算。

为得到高精度数据,定位解算前对下列误差的修正:对流层折射、电离层折射、多路径效应、相对论效应、钟差、SA 频率抖动、卫星轨道误差、地球旋转改正、天线相位中心偏差、地球固定潮改正等,目前这些误差改正模型可在相关资料中查找。

3 3 定向精度为了保证火炮或者雷达能够进行准确的标定,要求该系统具有较高的定向精度。

由于两个G PS 天线间距已知,把这一条件引入载波相位测量的观测方程:~= - ion -tro p +cv t a -cv t b - N 0 对观测方程进行优化处理,使相对水平定位精度达到3mm 。

根据两点定一线的原理,定向精度取决于两点的相对水平定位精度和基线长L (即两天线中心的水平距离,当基线长为L (m 时,3mm 垂直基线方向的相对定位误差带来的定向误差为arc tan 0 003L,由于3mm 的静态相对水平定位误差是均匀分布的,而平行于基线方向的相对定位误差不会产生定向误差,只有垂直基线方向的相对定位误差才会产生定向误差,所以实际的定向误差多数情况下要小于arc tan 0 003L 。

L 一般大于2,则arctan 0 003L近似等于0 003L ,所以理论上定向精度优于0 003L弧度。

4 试验结果与分析为验证本系统的有效性,取基线长度L 为3m ,多次试验所得到3m in 和4m i n 定向结果如表1和表2所示。

如表1和表2所示,当基线长为3m 时,3mm 垂直基线方向的相对定位误差带来的定向误差为0 95密位,实际的定向精度要小于0 95密位,摸底试验数据处理结果表明,定向精度优于0 70密位。

而传统炮兵射击对测地保障的要181测绘科学第35卷求为方位误差小于1m i,l即采用本系统3分钟得到的定向结果百分之百满足要求。

时间长一些,所得到的精度会更高。

即使所应用的内外部环境对本系统的定位定向精度有一定的影响,也完全满足装备的作战使用要求。

相对于传统的测地分队需提前进入测地保障,该系统大大缩短了定位定向的时间,降低了组织协调的复杂性。