摘要:简述跟踪定位的概念,引出方位标校对跟踪定位的精度影响。介绍无人机方位标校的作用,阐明了方位标校的工作原理,最后提出几种无人机方位标校的有效方法。
关键词:无人机 跟踪定位 方位标校
中文分类号: U279 文件标识码:A
0 前言
无人机(Unmanned Aerial Vehicle)的兴起是现代战争强调实时战场控制、情报收集及适时准确攻击的产物,是人类不断追求“零伤亡人员”的战争理念不断发展的结果,各国军队越来越多地将无人机应用到各个局部战争的各种战场环境中[1]。无人机是一个涉及专业面宽、技术领域新、设备复杂的系统,无线电系统是无人机的重要组成部分,实现对无人机的遥控 、遥测、跟踪定位和图像传输。因此,介绍无人机方位标校之前,先概述无线电跟踪定位的定义。
1 无线电跟踪定位
无线电跟踪定位是用无线电设备确定航船、飞机以及其他飞行器等目标的坐标方向,控制它们有目的地从一地向另一地运动的一门技术。无线电设备通过发射电磁波,并接收无人机上回波而获取信息,从而使天线始终对准无人机,并能测出无人机的瞬时坐标参数,时刻确定空间位置,这就是所谓的无线电跟踪定位。地面站上装有无线电设备可以收到信号并发射回波,地面设备收到回波信号后,经过处理就可以对无人机机进行跟踪定位[2]。图一为无线电跟踪定位示意图。
图一 无线电跟踪定位示意图
1.1 定位
定位就是确定无人机在空间的位置。这是三维的问题,最少需要三个相互独立的参数才能确定无人机的空间位置。在目前使用的无线电和光学测量手段的条件下,可测量的几何参量有距离(斜距)、方位角、俯仰角(高低角)、三个方向余弦及高度。以上几种参量任意三个都可确定某个时刻空间飞行器的位置,因此有多种定位体制可供选择。大多数无人机是通过距离(斜距)、方位角、高度三个参数进行定位的。定位示意图如图二,R是无人机到地面控制站的斜距,A是无人机相对地面控制站的方位角,H是无人机相对地面控制站的高度。以地面控制站坐标原点建立直角坐标系,设无人机位于M点,则R、A、H三个参数的几何意义如图二所示,显然,通过R、A、H三个参数就可确定飞机的空间位置。必须强调,定位是在跟踪的基础上才进行的,跟踪测角的精度会影响到无人机定位精度。无人机有单套GPS接收机与无线电测量组合定位、差分GPS与无线电测量组合定位、GPS+GLONASS等定位方式。
图二 定位示意图
1.2 跟踪
跟踪测角是指地面站对飞行中无人机的角度自动跟踪与测量。在无线电跟踪测量系统中,必须保证地面站天线随时对准飞机,实现飞机的角度跟踪。无线电设备运用伺服技术形成自跟踪体制,达到跟踪的目的。常用的体制有:单脉冲跟踪与测量、圆锥扫描自动跟踪与测量、步进自动跟踪与测量、相位干涉仪测角、“零点”型干涉仪自动跟踪与测量等。影响跟踪测角精度的因素有:轴角编码器量化误差、方位标校误差、设备的漂移误差、电波传播与多径效应、系统的信噪比等。既然定位是在跟踪的基础上才进行的,跟踪测角的精度会大大影响到无人机的空间定位精度。
2 无人机方位标校的作用
无人机无线电系统要实现对无人机实时遥控、遥测、跟踪定位以及图像传输,需要确定无人机在空间的精确位置。从无线电跟踪定位的定义可知,确定无人机的空间位置虽有多种定位体制供选择,但经常使用的三个参数距离(斜距)、方位角、高度进行定位。距离(斜距)可通过电磁脉冲测量,高度可以通过高度表测量,方位角的测量由于使用到多个参数,从而带来的多种误差,必须经过标校才能得到真实的方位角。
影响方位标校的因素很多,天线座调整后的水平状态、光学望远镜的机械安装误差、信标机距地面站的远近及两者的大地测量定位的准确度等因素都可以引起方位标校的初始误差,从而影响到跟踪测角精度[3,8]。由跟踪测角的影响因素可知,方位标校误差将会直接影响到无人机的空中定位精度。因此,无人机方位标校在无人机实现遥控、遥测、跟踪定位以及图像传输过程中占有举足轻重的地位。
3 方位标校原理
无人机无线电技术比雷达技术起步晚,因此,从雷达方位标校的原理可以类推无人机方位标校原理[3,9]。雷达在机械扫描或转动跟踪中,若想获得连续的方位角信息,常用方法是:用旋转变压器或自整角机同步跟随天线旋转,再将其送出的同步信息送RDC(轴角变换器)解算,输出并行二进制码,最高位权值为180°,其次为90°,依此类推。由于机械安装的任意性,自然解算出来的角度和真实的方位角(即天线法向与正北间的夹角值)之间有一定固定差值。方位标校的目的即在于找出差值,并叠加至RDC输出数据,使雷达在机械扫描工作中获得适时的精确角数据[4]。无人机的方位标校原理跟雷达极为相似,目的在于减小方位误差,提高定位精度。
采用大地测量与经纬仪瞄标相结合的方法可标定方位零位,虽然此法测量精度高,但受基础稳定度、电磁环境、通视条件、仰角以及距离影响。测量周期长、成本高和协调量大。当周期不允许或只需要标定少数项目时该方法的局限性尤为明显[5]。为了提高效率,经常用经纬仪扫出天线的法向与磁北之间的夹角,并查出当地的磁偏角,二值加(减)得出天线法向与正北之间的方位角。具体的步骤是:
1、选择地面站站点,用GPS定位,记录经纬度,以备地面站车辆停用;
2、选参考点,与站点应该有足够距离,一般大于500m,做好标记;
3、用经纬仪测出站址与参考点之间的方位角。
经纬仪是一个高精度的测量设备,其测量误差相对无线电设备来说可以忽略不计。可用经纬仪测量方位角,将其置设备站址点,先定北,再测量出站址点相对磁北的方位角,并根据当地磁偏角进行方位角修正。然后通过旋转调节旋转变压器(或码盘)的机械轴或在电路上进行手动拨码来修正。显然此方法存在耗时长、精度不高的缺陷。
4 无人机方位标校的几种有效方法
进入21世纪后,随着军方雷达机动性能和战场生存能力要求的提高,无人机必须要寻找更加快速、实用的方位标校方法,才能在复杂的电磁环境下,提高自身的抗干扰能力和生存能力。无人机相对地面站的方位角必须经过方位标校才能精确确定,要获得无人机的精确空间位置,丰富方位标校的方法、减少方位跟踪定位误差,是一个有效可行的途径。下面介绍目前无人机系统方位标校的几种有效方法。