陳俊，曾媛，門濤，陸文斌，張?zhí)鞁?，劉柳，周昊蘇

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳俊1，曾媛1，門濤2，3，陸文斌1，張?zhí)鞁?，劉柳1，周昊蘇1

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043）

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，地面衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)也日益完善，呈現(xiàn)出數(shù)量多、分布廣、頻段寬、工作體制多等特點(diǎn)。為提高航天測(cè)控裝備標(biāo)校的精度和效率，克服傳統(tǒng)標(biāo)校方式所具有的造價(jià)高、操作繁雜等缺點(diǎn)，研制了一套車載機(jī)動(dòng)式、基于無(wú)人機(jī)（UAVs）平臺(tái)的航天測(cè)控裝備標(biāo)校系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)載波相位差分定位（RTK）技術(shù)，配備多類高度集成小型化目標(biāo)載荷，可對(duì)地面統(tǒng)一測(cè)控、雷達(dá)和光電裝備進(jìn)行精度鑒定以及日常進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)校和訓(xùn)練等工作。首先，介紹了系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成及精度鑒定數(shù)據(jù)處理流程；其次，基于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，給出了該系統(tǒng)的鑒定效果；最后，相較于目前測(cè)試性能單一的標(biāo)校系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集成度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、覆蓋頻段廣、可完成性能實(shí)驗(yàn)多等優(yōu)點(diǎn)，有更好的使用和推廣價(jià)值。

測(cè)控裝備；精度鑒定；無(wú)人機(jī)（UAV）；標(biāo)校；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0　引言

近年來(lái)，我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)量急劇增長(zhǎng)［1］，航天活動(dòng)范圍也在不斷拓展和深入，航天測(cè)控裝備是與航天器聯(lián)系的重要設(shè)備，準(zhǔn)確地掌握和評(píng)估其外測(cè)精度，是獲得高質(zhì)量航天飛行器軌道測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)［2］。測(cè)控裝備外測(cè)精度通常分為有塔標(biāo)校和無(wú)塔標(biāo)校。有塔標(biāo)校即通過(guò)在標(biāo)校塔上架設(shè)合作目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的靜態(tài)檢驗(yàn)與鑒定［3-4］，此方法受制于標(biāo)校塔的建設(shè)，移動(dòng)性差，多為低仰角下進(jìn)行標(biāo)校，易受環(huán)境干擾［5］，難以應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)校和活動(dòng)測(cè)控站標(biāo)校［6-7］。無(wú)塔標(biāo)校通過(guò)跟蹤測(cè)量攜帶合作目標(biāo)的標(biāo)定球、在軌衛(wèi)星平臺(tái)等動(dòng)態(tài)目標(biāo)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法估算其測(cè)量誤差及精度，其缺點(diǎn)為實(shí)施工作繁雜、費(fèi)用高［8］，且受限于地理位置和天氣［6，9］。

隨著無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、單機(jī)集成等各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）不斷完善的背景下，實(shí)時(shí)差分定位（Real-Time-Kinematic，RTK）模式下的定位精度已達(dá)到厘米級(jí)［10］，采用基于RTK測(cè)量技術(shù)的無(wú)人機(jī)掛載合作目標(biāo)，對(duì)航天測(cè)控裝備外測(cè)精度進(jìn)行鑒定，完全可滿足精度鑒定工程要求［11］。目前，國(guó)內(nèi)已有就基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)S/X/Ka頻段測(cè)控天線標(biāo)校和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試［3，6-7，12］、雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校［13-15］和天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試［16］等的理論體系進(jìn)行的研究，并開(kāi)展了一些驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明了基于無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)控裝備進(jìn)行標(biāo)校的應(yīng)用價(jià)值。但現(xiàn)有的標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)多為針對(duì)特定測(cè)控裝備某一種性能進(jìn)行測(cè)試，隨著我國(guó)測(cè)控網(wǎng)的不斷發(fā)展［17-18］，在工程應(yīng)用方面，其利用率較低。因此，研制具備多種工作體制高度集成的目標(biāo)載荷、實(shí)時(shí)精度鑒定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、車載可機(jī)動(dòng)式轉(zhuǎn)場(chǎng)等特點(diǎn)的基于無(wú)人機(jī)的標(biāo)校系統(tǒng)，具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。

本文介紹了一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)，區(qū)別于現(xiàn)有標(biāo)校方法，車載方艙實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)式運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場(chǎng)，配備2種無(wú)人機(jī)平臺(tái)和多種目標(biāo)載荷，可對(duì)地面統(tǒng)一測(cè)控、雷達(dá)和光電裝備的動(dòng)態(tài)跟蹤性能、工作協(xié)調(diào)性能、測(cè)量數(shù)據(jù)精度等進(jìn)行多維鑒定；高度集成小型化載荷設(shè)計(jì)和應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化實(shí)時(shí)處理軟件，使系統(tǒng)實(shí)施快捷、操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了航天測(cè)控裝備精度鑒定常態(tài)化的工程實(shí)踐。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　工作原理

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載小型化測(cè)控通信、雷達(dá)、光電等目標(biāo)載荷和GNSS-RTK測(cè)量設(shè)備，以無(wú)人機(jī)搭載載荷作為跟蹤目標(biāo)，按預(yù)先設(shè)計(jì)航路飛行，控制中心可遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)航線、姿態(tài)及載荷工作參數(shù)，并可根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)下發(fā)的高精度定位及姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)解算目標(biāo)載荷在被鑒定測(cè)控裝備坐標(biāo)系下的位置信息，引導(dǎo)被鑒定測(cè)控裝備跟蹤捕獲無(wú)人機(jī)掛載的合作目標(biāo)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。該標(biāo)校系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1　基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)工作流程

任務(wù)中和任務(wù)后，控制中心對(duì)無(wú)人機(jī)定位、姿態(tài)信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將目標(biāo)載荷在被鑒定測(cè)控裝備坐標(biāo)系下的位置信息作為真值，在時(shí)間序列上與測(cè)控裝備跟蹤目標(biāo)載荷所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，估算測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)地面測(cè)控裝備的零值標(biāo)定和精度鑒定。無(wú)人機(jī)飛行航線可根據(jù)地面測(cè)控裝備的測(cè)試需求進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，通過(guò)掛載不同類型的目標(biāo)載荷，配合不同地面裝備完成包括方向圖、相位及跟蹤性能等指標(biāo)和功能的測(cè)試。

1.2　系統(tǒng)組成

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)、機(jī)載載荷分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控分系統(tǒng)和載車分系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)組成

1.2.1無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)

標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示，無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)包括無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、無(wú)人直升機(jī)測(cè)控分系統(tǒng)、多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)、多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)控分系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)用于搭載機(jī)載載荷分系統(tǒng)中各載荷單機(jī)，無(wú)人機(jī)測(cè)控分系統(tǒng)用于無(wú)人機(jī)飛行遙控、遙測(cè)及機(jī)載載荷遙控、遙測(cè)信息傳輸。無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)可同時(shí)掛載多種載荷，支持一次性完成多種性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。輕便小型的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可快速開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

圖3　基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)框

表1　無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)表

無(wú)人機(jī)平臺(tái)均集成兼容GPS、GLONASS、BDS及Galileo多系統(tǒng)接收板卡和光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)，配備地面差分基準(zhǔn)站，支持RTK定位技術(shù)，無(wú)人機(jī)可實(shí)時(shí)輸出高精度定位及姿態(tài)信息。

1.2.2機(jī)載載荷分系統(tǒng)

機(jī)載載荷分系統(tǒng)包括測(cè)控通信、雷達(dá)、光電等多種載荷。測(cè)控通信載荷可覆蓋S、C、X和Ka頻段，具備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測(cè)控、相干擴(kuò)頻、測(cè)控?cái)?shù)傳一體化等多種體制信號(hào)的收發(fā)能力，具有信標(biāo)機(jī)和校零變頻器功能。雷達(dá)載荷含C頻段脈沖相參應(yīng)答機(jī)、雷達(dá)目標(biāo)模擬器、龍伯球、角反，可配合地面雷達(dá)裝備完成各種性能測(cè)試。光電載荷包含光學(xué)信號(hào)模擬源，具備對(duì)各波段光源的模擬，可配合地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤測(cè)試；配備攝像機(jī)，用于勘察、記錄試驗(yàn)實(shí)況景象。

機(jī)載載荷均以小型集成化設(shè)計(jì)為原則，各載荷天線安裝接口、電氣接口和通信接口設(shè)計(jì)一致，在降低系統(tǒng)操作難度的同時(shí)，保留了系統(tǒng)的拓展性。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控分系統(tǒng)用于接收無(wú)人機(jī)鏈路實(shí)時(shí)回傳的無(wú)人機(jī)定位及姿態(tài)信息、載荷遙測(cè)信息以及攝像機(jī)圖像信息。可實(shí)時(shí)發(fā)送載荷遙控指令，控制載荷工作模式和參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)（圖3）。支持與地面測(cè)控裝備進(jìn)行光纖通信，可根據(jù)無(wú)人機(jī)定位及姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)解算目標(biāo)載荷位置信息引導(dǎo)測(cè)控裝備對(duì)其進(jìn)行跟蹤捕獲?？蓪?shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，顯示試驗(yàn)參數(shù)及曲線，獲得測(cè)控裝備測(cè)量元素精度鑒定結(jié)果。

1.2.4載車分系統(tǒng)

載車分系統(tǒng)包括載車、方艙和供電設(shè)備等。載車可作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一承載體，具備沙漠、山地等特殊地貌條件下的工作能力，方便系統(tǒng)的轉(zhuǎn)場(chǎng)和運(yùn)輸，可在野外為設(shè)備供電。載車方艙內(nèi)集成無(wú)人機(jī)測(cè)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控分系統(tǒng)，并配備指揮調(diào)度、時(shí)頻、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理工作站、交換機(jī)等設(shè)備，組成控制中心。

2　數(shù)據(jù)處理流程和方法

精度鑒定的基本方法是以機(jī)載北斗/GNSS差分定位結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)與被鑒定裝備測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，鑒定測(cè)控裝備的精度，確定其系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，分析掌握其誤差變化規(guī)律。具體流程如圖4所示。

圖4　精度鑒定數(shù)據(jù)處理流程

2.1　數(shù)據(jù)預(yù)處理

精度鑒定數(shù)據(jù)預(yù)處理分為被鑒定裝備測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理和無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)預(yù)處理。被鑒定測(cè)控裝備測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：信息復(fù)原、合理性檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差修正、電波折射修正［19］。信息復(fù)原主要為量綱復(fù)原，由測(cè)控裝備端完成。無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：以被鑒定裝備測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間為準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊、跟蹤位置不一致修正［20］、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換［20］。統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)容主要包括隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和總誤差。

2.1.1被鑒定測(cè)控裝備測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）合理性檢驗(yàn)

測(cè)控裝備測(cè)量數(shù)據(jù)往往帶有誤差偏大的異常值，會(huì)使得測(cè)量值失真，影響精度鑒定結(jié)果。因此，數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須首先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)異常值進(jìn)行判別和處理，以合理、可信的數(shù)據(jù)替代它，保證外測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的質(zhì)量。首先采用3σ準(zhǔn)則對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)異常值進(jìn)行判別，再運(yùn)用二階多項(xiàng)式最小二乘估計(jì)擬合曲線對(duì)異常值進(jìn)行修正，詳細(xì)修正方法見(jiàn)GJB 2234A［21］。

2）系統(tǒng)誤差修正

被鑒定測(cè)控裝備在設(shè)計(jì)建設(shè)完成時(shí)，均有對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差修正模型，因本文應(yīng)用驗(yàn)證所涉及測(cè)控裝備類型為統(tǒng)一測(cè)控裝備，此章節(jié)僅介紹統(tǒng)一測(cè)控裝備的系統(tǒng)誤差修正模型，雷達(dá)及光學(xué)系統(tǒng)誤差修正模型詳見(jiàn)GJB 1381A［22］。

距離誤差修正模型如下：

式（1）和式（2）中的符號(hào)是以真值為參考定義的，當(dāng)測(cè)量值比真值小時(shí)，誤差本身應(yīng)為“+”號(hào)，反之為“－”號(hào)。

3）電波折射修正

因大氣密度分布不均勻，使得測(cè)控裝備測(cè)量到的距離、俯仰角、方位角等參數(shù)都包含了大氣折射誤差，通常假設(shè)大氣結(jié)構(gòu)為水平均勻，忽略大氣折射對(duì)方位角測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。本文采用球面分層法對(duì)距離和俯仰角進(jìn)行電波折射誤差修正，各層結(jié)折射指數(shù)根據(jù)地面單點(diǎn)大氣測(cè)量參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式［19］計(jì)算得到。

2.1.2無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)預(yù)處理中時(shí)間對(duì)齊主要方法為：以被鑒定測(cè)控裝備測(cè)量數(shù)據(jù)序列時(shí)間為準(zhǔn)，運(yùn)用拉格朗日三點(diǎn)插值法，對(duì)無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到與被鑒定裝備同時(shí)間序列的無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)。

1）坐標(biāo)系定義

2）跟蹤位置不一致修正

3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的是將目標(biāo)載荷發(fā)射天線在WGS-84坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至測(cè)站系下的球坐標(biāo)，即與被鑒定裝備測(cè)量元素所用坐標(biāo)系一致。主要分為2步，將目標(biāo)載荷發(fā)射天線在地心系下的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至測(cè)站系下的直角坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)。具體如下：

2.2　精度鑒定誤差統(tǒng)計(jì)

2.2.1隨機(jī)誤差

由式（10）可得，隨機(jī)誤差的方差估計(jì)為

2.2.2系統(tǒng)誤差

2.2.3總誤差

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成后，于2021年在某地統(tǒng)一測(cè)控裝備上完成了應(yīng)用驗(yàn)證，具體如下。

3.1　無(wú)人直升機(jī)定位精度

在進(jìn)行鑒定實(shí)驗(yàn)前，對(duì)無(wú)人直升機(jī)定位精度進(jìn)行了地面靜態(tài)定點(diǎn)測(cè)試。將定位基準(zhǔn)站天線及無(wú)人機(jī)平臺(tái)分別放置在不同的大地測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)上，由無(wú)人直升機(jī)定點(diǎn)測(cè)試所得的基準(zhǔn)點(diǎn)地心距與其實(shí)際地心距差值的變化如圖5所示，平均偏差為 0.05 m，均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為0.05 m。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)人直升機(jī)定位精度可達(dá)厘米級(jí)，滿足精度鑒定工程要求。

圖5　無(wú)人直升機(jī)基準(zhǔn)站定點(diǎn)測(cè)試地心距偏差變化

無(wú)人直升機(jī)靜態(tài)定點(diǎn)測(cè)試時(shí)，直升機(jī)姿態(tài)角變化如圖6所示。因直升機(jī)放置位置有一定坡度，圖6（a）中俯仰角和滾轉(zhuǎn)角并非為0°，直升機(jī)所配備慣導(dǎo)系統(tǒng)定姿精度為0.05°。伍德勇等［20］的研究結(jié)果表明，精度鑒定系統(tǒng)的定位精度為厘米級(jí)，飛機(jī)姿態(tài)角測(cè)量誤差控制在1°以內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，可滿足鑒定系統(tǒng)的精度要求。

圖6　無(wú)人直升機(jī)地面定點(diǎn)測(cè)試姿態(tài)角變化

3.2　精度鑒定結(jié)果

精度鑒定系統(tǒng)利用無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)掛載載荷，已對(duì)某地面統(tǒng)一測(cè)控設(shè)備進(jìn)行了多次標(biāo)校與鑒定。不同頻段地面統(tǒng)一測(cè)控設(shè)備精度鑒定結(jié)果見(jiàn)表2。各頻段測(cè)量元素誤差均滿足精度鑒定指標(biāo)要求，驗(yàn)證了精度鑒定系統(tǒng)的可靠性，其中X和Ka頻段測(cè)控設(shè)備數(shù)傳體制無(wú)測(cè)距。

表2　不同頻段統(tǒng)一測(cè)控裝備精度鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2中S頻段統(tǒng)一測(cè)控裝備標(biāo)準(zhǔn)USB體制測(cè)距（圖7）、測(cè)角（圖8）與標(biāo)校系統(tǒng)相對(duì)真值對(duì)比的偏差曲線圖，如圖7和圖8所示。圖7中，該實(shí)驗(yàn)時(shí)間段無(wú)人直升機(jī)處于懸停狀態(tài)，測(cè)控設(shè)備測(cè)距值波動(dòng)較大，無(wú)人直升機(jī)引導(dǎo)距離穩(wěn)定，可有效剝離測(cè)控裝備測(cè)距隨機(jī)差及系統(tǒng)差，測(cè)距隨機(jī)差和系統(tǒng)差分別為1.47 m和2.89 m。

圖7　S頻段測(cè)控設(shè)備測(cè)距與無(wú)人直升機(jī)引導(dǎo)距離及其差值曲線

圖8　S頻段測(cè)控設(shè)備測(cè)角與無(wú)人直升機(jī)引導(dǎo)角度及其差值曲線

續(xù)圖8S頻段測(cè)控設(shè)備測(cè)角與無(wú)人直升機(jī)引導(dǎo)角度及其差值曲線

Continued Fig. 8Measured angle curves of TT&C ground system and unmanned helicopter in S-band and their deviation

圖8中，無(wú)人直升機(jī)在此時(shí)間段內(nèi)由懸停狀態(tài)切換至飛行狀態(tài)，S頻段測(cè)控設(shè)備與直升機(jī)引導(dǎo)角度差值也發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：直升機(jī)平飛時(shí)，圖7（b）和圖7（d）中角度差值明顯小于直升機(jī)懸停時(shí)角度差值。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是由于直升機(jī)在懸停狀態(tài)下，機(jī)身的氣動(dòng)效應(yīng)無(wú)法發(fā)揮，且易受外部風(fēng)干擾等，飛行控制難度較大，直升機(jī)位置會(huì)發(fā)生水平和垂直方向上的漂移［15，23］。圖7中無(wú)人直升機(jī)懸停和飛行狀態(tài)下的精度鑒定結(jié)果見(jiàn)表3，無(wú)人直升機(jī)懸停時(shí)測(cè)量角的系統(tǒng)誤差較飛行狀態(tài)時(shí)大，無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)時(shí)測(cè)量角的隨機(jī)差較懸停狀態(tài)時(shí)大。由圖8及表2可知，測(cè)控設(shè)備方位角測(cè)量誤差小于俯仰角誤差，因俯仰角測(cè)量精度與測(cè)距精度相關(guān)，測(cè)距誤差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致俯仰角誤差變大。

表3　無(wú)人直升機(jī)不同飛行狀態(tài)下S頻段統(tǒng)一測(cè)控裝備測(cè)量角精度鑒定結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于無(wú)人機(jī)的精度鑒定系統(tǒng)可用于地面測(cè)控設(shè)備的精度鑒定，精度滿足鑒定實(shí)驗(yàn)要求［24］。相對(duì)于傳統(tǒng)的地面塔標(biāo)校，基于無(wú)人機(jī)的精度鑒定系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)測(cè)量，更加高效快捷［25］。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航天測(cè)控裝備外測(cè)數(shù)據(jù)精度鑒定逐步增加的實(shí)際需求，介紹了一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的車載機(jī)動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理流程。該系統(tǒng)作為高精度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)便快捷、覆蓋全面等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備精度鑒定的常態(tài)化。同時(shí)也可作為測(cè)控裝備操作人員良好的訓(xùn)練與演練系統(tǒng)。

通過(guò)分析該系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)精度滿足鑒定實(shí)驗(yàn)要求，配備的多類載荷可支持多種地面測(cè)控裝備進(jìn)行多維精度鑒定實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，將會(huì)更加廣泛應(yīng)用于其他各類測(cè)控裝備的標(biāo)校實(shí)驗(yàn)，后續(xù)也將積累更多的有效數(shù)據(jù)用于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法流程。

［1］ 程勝.構(gòu)建航天軟件研制新體系支撐“十四五”航天發(fā)展新跨越［J］.國(guó)防科技工業(yè)，2020（9）：32-37.

［2］ 楊勝斌，和偉輝，劉安，等.北斗系統(tǒng)在設(shè)備外測(cè)精度鑒定中的應(yīng)用研究［C］//中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì).第十二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)論文集.2021：54-59.

［3］ 門濤，洪宇，吳宗清，等.基于無(wú)人機(jī)的測(cè)控天線試驗(yàn)鑒定方法［J］.空間電子技術(shù)，2021（1）：75-79.

［4］ 楊萍，郭軍海，孫剛.航天測(cè)控系統(tǒng)衛(wèi)星鑒定技術(shù)研究［J］.航天控制，2008，26（1）：65-69.

［5］ 董建偉，高長(zhǎng)生，熊偉，等.脈沖測(cè)量雷達(dá)無(wú)塔標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：685-693.

［6］ 雷鳴.基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)校相的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子質(zhì)量，2021（4），50-53.

［7］ 李敏劍，王向偉.劉佳偉.多旋翼無(wú)人機(jī)在某測(cè)控設(shè)備標(biāo)校工作中的應(yīng)用［J］.遙測(cè)遙控，2021，42（3）：26-33.

［8］ 陳偉，王志有，李曉斐.航天運(yùn)載器外測(cè)系統(tǒng)精度鑒定技術(shù)發(fā)展與展望［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2016（6）：40-44.

［9］ 仇芝.脈沖雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)定方法的一種工程實(shí)現(xiàn)研究［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2010，29（5），29-33.

［10］ 楊泰朋，宣善欽，劉流.基于BDS的RTK模式定位精度分析［J］.山西建筑，2021，47（10）：170-173.

［11］ 金泉，高顯忠，郭正，等.無(wú)人機(jī)集群在機(jī)場(chǎng)封控作戰(zhàn)中的應(yīng)用研究［J］.飛航導(dǎo)彈，2021（10）：52-58.

［12］ 解玲娜，王懷.S/X/Ka頻段衛(wèi)星地面站無(wú)人機(jī)測(cè)試標(biāo)校設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2020，29（1）：14-19.

［13］ 季勤超，姚申茂，楊利斌，等.基于無(wú)人機(jī)和差分GPS的艦載雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)工程，2018，46（10）：1984-1988.

［14］ 朱玉成.動(dòng)態(tài)標(biāo)校測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（6）：144-145.

［15］ 張磊，鄭慶利.一種基于無(wú)人機(jī)的雷達(dá)角度零值標(biāo)校方法［J］.中國(guó)科技信息，2020（24）：68-69.

［16］ 居鵬，侯飛.基于多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2020，42（10）：83-85.

［17］ 竇驕，韓孟飛，寧金枝，等.小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)［J］.航天器工程，2021，30（6）：113-119.

［18］ 李贊，李海濤，張哲，等.月球探測(cè)任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.上海航天，2021，38（2）：76-86.

［19］ 胡紹林，牛曉雷，許愛(ài)華，等.電波折射誤差的經(jīng)驗(yàn)-分層修正算法［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2003（4）：67-71.

［20］ 伍德勇.飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量船校飛精度的影響［J］.中國(guó)慣性技術(shù)研究學(xué)報(bào)，2004，12（3）：58-63.

［21］ 劉利生，劉元，張引林，等.光電經(jīng)緯儀事后數(shù)據(jù)處理方法：GJB 2234［S］.中國(guó)人民解放軍總裝備部，2014.

［22］ 劉利生，郭軍海，王爽，等.導(dǎo)彈、航天器試驗(yàn)光電經(jīng)緯儀和脈沖雷達(dá)測(cè)量精度評(píng)定：GJB 1381A［S］.中國(guó)人民解放軍總裝備部，2011.

［23］ 王弈，曾國(guó)貴，廖智麟，等.無(wú)人直升機(jī)懸停低速段的不確定性仿真驗(yàn)證［J］.直升機(jī)技術(shù)，2014（4）：9-13.

［24］ 鮑珊，孫浩.基于動(dòng)態(tài)校飛的新型無(wú)線電外測(cè)系統(tǒng)精度估算［J］.測(cè)控技術(shù)，2013，32（11）：51-53.

［25］ 周巍，郝金明，徐兆磊，等.基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)控設(shè)備精度鑒定系統(tǒng)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2013（6）：16-18.

Design and Application of Mobile Calibration System Based on Unmanned Aerial Vehicles

CHENJun1， ZENGYuan1， MENTao2，3， LUWenbin1， ZHANGTianjiao1， LIULiu1， ZHOUHaosu1

（1.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai 201109， China； 2.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics， Xi’an 710043， Shaanxi， China； 3.Xi’an Satellite Control Center， Xi’an 710043， Shaanxi， China）

With the continuous development of China’s aerospace program， the ground satellite measurement and control network has become increasingly perfect， showing the characteristics such as large number， wide distribution， wide frequency band， and many systems. In order to improve the accuracy and efficiency of the calibration of the aerospace measurement and control equipment and overcome the shortcomings of the conventional calibration method， such as high cost and complicated operation， a vehicle-mounted mobile calibration system based on unmanned aerial vehicles （UAVs） is designed. The system adopts the real-time-kinematic （RTK） mode positioning technology， and is equipped with multiple types of highly integrated miniaturized target loads. It can conduct precision assessment for different measurement and control equipment， and carry out daily large-scale calibration and training. The working principle， system composition， and data processing flow of the precision assessment are introduced. The assessment effect of the system is verified by field measurements. The results show that， compared with the current calibration system with a single test performance， the proposed system has the advantages such as high integration， strong mobility， and wide coverage of frequency bands， can complete many performance tests， and has better use and promotion value.

measurement and control equipment； precision assessment； unmanned aerial vehicle （UAV）； calibration； system design

2022?05?27；

2022?06?22

陳?。?994—），女，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理。

V 556

A

10.19328/j.cnki.2096?8655.2022.04.018