2021年第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术
SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY
门㊀涛1,2∗，洪㊀宇1,2，吴宗清1,2，曾㊀媛3，杨㊀光2
(1.宇航动力学国家重点实验室，西安㊀710043;2.中国西安卫星测控中心，西安㊀710043;
3.上海航天测控通信研究所，上海㊀201109)
㊀㊀摘㊀要：随着航天装备的快速发展，航天测控装备试验鉴定对试验条件的要求也不断提高㊂无人机作为重要的配试设备，在装备性能鉴定㊁测控设备标校㊁复杂战场环境模拟和通信中继等方面发挥着越来越重要的作用㊂本文设计了地基装备试验鉴定评估系统，探讨了基于无人机平台的测控设备试验鉴定系统的组成㊁工作原理及鉴定方法，并对基于无人机平台搭载的多基线测量方法进行了精度分析㊂结果表明，基于无人机平台的试验鉴定系统能够为测控设备的精度鉴定提供高精度标准数据，具有实际应用前景㊂ 关键词：无人机；测控设备；试验鉴定;GNSS
中图分类号:P228.4㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1674-7135(2021)01-0075-05
D O I:10.3969/j.issn.1674-7135.2021.01.014
Test Assessment Method of Measurement and Control Antenna
Based on Unmanned Aerial Vehicle
MEN Tao1,2∗,HONG Yu1,2,WU Zongqing1,2,ZENG Yuan3,YANG Guang2
(1.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics,Xi an㊀710043,China;
2.Xi an Satellite Control Center,Xi an㊀710043,China;
3.Shanghai Spaceflight Measurement-Control and Communication Institute,Shanghai㊀201109,China)
Abstract:This paper introduces the development and composing of the assessment system of measurement and control equipment based on unmanned aerial vehicle(UAV),describes the operating principle of the assessment system.Calibration flight test for TT&C system is discussed,an
d the tactical application features are summarized.On the basis of range test re-quirement analysis,constructs RTK multi-baseline measurement system based on UAV,and presents principle of operation of the measurement system,and designs the test method,and analyses the accuracy of the system and method.The results show that the design of the test assessment system of measurement and control system is feasible.This research provides theoretical basis and valuable experience for constructing accuracy evaluation system based on UAV.
Key words:Unmanned aerial vehicle;Measurement and control equipment;Test assessment;GNSS
0㊀引言
航天测控装备主要担负着各类航天器进出空间的测控任务和空间操控管理任务，随着航天技术发展及新型装备研制部署应用，航天装备试验鉴定对试验条件的要求也不断提高[1-2]㊂航天测控天线的准确标校是获得高精度测量数据的基础，也是实验鉴定工作的重要组成部分㊂在航天任务中，按设备场区有无配置标校塔，可分为两类标校方法：有塔标校和无塔标校㊂有塔标校是指利用经过精确大地测量的标校塔进行标校，通过在标校塔上架设标校设
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①收稿日期:2020-09-10；修回日期:2021-01-18㊂
基金项目：载人航天工程专项标准制定项目(编号:16XA25)
作者简介：门涛(1982 )，男，硕士，高级工程师，研究方向为航天测控站总体设计㊂E-mail:mentao1330@163
备，测控设备天线对准塔上标校设备的方式进行标校㊂这种方式可操作性强，普遍用于航天测控设备㊂受制于工程基建建设，有塔标校即使能够满足远场条件，但一般仰角较低，容易受到周边环境的干扰，造成标校误差㊂无塔标校是指不利用标校塔即可完成设备标校的各类方法，如采用在天线副面架设标校设备㊁放标定球㊁指向或卫星等方式实现无塔标校㊂这些方法存在很大局限性，可推广性不强，迫切需要研究新的无塔标校方法[3-6]㊂
随着无人机技术的发展，无人机利用搭载小型化测控㊁通信㊁雷达㊁光电等模拟设备和小型化RTK 设备，构造外部标校环境，配合地面测控设备进行标校及性能鉴定[7-9]㊂采用该方法对测控天线进行性能鉴定，测控设备与标校设备之间的空间距离可灵活构设，测控设备天线仰角较有塔标校角度更高，能够取得较为优良的标校条件，不易受到周边地形影响，能够取得理想的标校结果㊂
本文提出了基于无人机平台的测控天线试验鉴定方法，设计了试验鉴定评估系统，并对定位精度进行了分析，验证了无人机平台在测控天线试验鉴定和标校测试中的可行性㊂
1㊀地基装备试验鉴定评估系统组成
试验鉴定评估系统在装备试验与定型中具有重要作用㊂现阶段，航天测控领域对测控装备的试验鉴定能力比较薄弱㊁新技术应用综合评估能力不足，因此需要开展地基测控装备试验鉴定评估系统建设㊂试验鉴定评估系统作为考核㊁演练和评估手段，通过对装备研制过程中各类试验数据进行收集㊁分析和整理，在接近实战条件下对新研的测运控装备进行试验，检验装备的各种性能指标，以促进装备定型㊂
试验鉴定评估系统由试验鉴定与指控中心㊁机动鉴定单元㊁试验鉴定数据处理中心㊁无人机平台㊁北斗精度鉴定系统㊁各类配套保障设备等，系统组成如图1所示㊂
机动鉴定单元采用单车机动运输方式，无人机㊁地面各分系统及配套保障设备装载于方舱，机动鉴定单元按照 单架无人直升机+2架多旋翼无人机 的配置模式，工作时应答机㊁干扰机等有效载荷根据任务需加载到无人直升机或多旋翼无人机
㊂
Fig.1㊀Diagram of the test assessment system
试验鉴定数据处理中心利用精度鉴定系统数据
处理软件，计算设备测量精度，具体工作包括数据转
换和质量评估㊁核心产品生成㊁数据质量分析㊁数据存
储管理㊁数据发布，对天地基装备提供鉴定评估服务㊂
北斗精度鉴定系统由数据处理中心㊁基准站和动
态点组成[10-11]㊂数据处理中心完成测控设备精度鉴定工作的组织和调度，负责鉴定数据的收集，并利用
北斗导航数据完成对待鉴定设备的数据处理和分析,
给出鉴定结论；位于全国各地的基准站组成基准网,
经网整体平差处理，精确测定各基准点的三维坐标;
动态点装置于无人机上，配置北斗/GNSS接收机㊂
peepm2㊀基于无人机平台的试验鉴定系统组成无人机载试验系统包括无人机平台分系统㊁载荷分系统㊁地面飞行控制分系统㊁地面数据处理中心分系统㊁监控分系统㊁测试平台分系统㊁载车方舱分系统㊁各类配套保障设备等㊂系统组成框图如图2所示
㊂
图2㊀无人机载试验鉴定系统组成图
Fig.2㊀Diagram of test assessment system based on
unmanned aerial vehicle
67空间电子技术2021年第1期
工作时，有效载荷根据任务需要灵活加载到无人直升机或多旋翼无人机㊂撤收时，无人机㊁地面各相关分系统及配套保障设备装载于方舱，采用单车机动运输㊂无人直升机和多旋翼无人机数据链路各自独立控制㊂根据选用的平台不同，可构成无人直升机载试验系统㊁多旋翼无人机载试验系统等㊂地面数据处理中心分系统包括两套差分GPS/北斗地面基准站㊁数据记录设备和数据处理软件㊂标校时，对标校数据进行处理，给出标定结果㊂校飞时，通过差分北斗/GNSS接收机实时测量无人机平台精确位置，并将载荷信息通过数据链路实时传到地面㊂地面数据处理中心分系统对待鉴定设备校飞数据进行处理，给出雷达㊁光学㊁微波统一系统装备的鉴定结果㊂
由于场区内存在多个频段的测控设备[12-13]，且校飞等试验需要无人机能够提供30分钟以上的定点悬停时间，为高效开展测控天线试验鉴定工作，本项目主用载重量大㊁续航时间长的无人直升机㊂并根据试验场景需求，设计优化了测控载荷组合模式，包括S频段应答机㊁C/X/Ka频段应答机㊁C频段脉冲应答机㊁1台北斗接收终端设备等部分组成㊂无人机执行组合状态工作模式时，设备通过安装件集中安装到前任务舱和中任务舱，天线通过支架吊装在无人直升机下方，总体布局如图3所示
㊂
图3㊀无人机组合状态工作模式搭载示意图Fig.3㊀Loading figure of combined working mode based on unmanned aerial vehicle
3㊀差分北斗接收机相对定位精度分析试验鉴定系统由直升机搭载北斗接收设备，如图4所示，和地面北斗基准站配合获得高精度的无人机位置信息，即比较标准系统[14]㊂同时对该比较标准的测量数据，应用数学方法和数据处理技术得到高精度的比较标准，地面测控天线和飞机搭载的各载荷设备配合获得无人机位置信息，即被鉴定系统㊂将被鉴定系统和比较标准系统，对测量目标的同一采样时刻直接测量数据作差得到差分序列，经处理统计分析，得到被鉴定系统的误差统计量和测量精度
㊂
图4㊀基于北斗导航的多基线测量精度鉴定方法Fig.4㊀Precision assessment approach of multiple-baseline measurement based on Beidou navigation
理想情况下标准比对与被鉴定系统测量精度两者均方差之比σ
标准比对/σ被检定标准ɤ1/10㊂但在工程实践中，特别是鉴定高精度连续波测量系统精度时，该指标难以实现㊂因此，试验场在评定外测系统测量精度时，一般要求ɤ1/3㊂
3.1㊀距离精度
距离精度由RTK定位平面精度和高程精度㊁差分位置平面精度和高程精度㊁测控天线坐标系转换误差值构成㊂距离精度按下式计算:
σrange=σ21+σ22+σ23+σ24+σ25(1)式中σrange为测控天线坐标原点到无人机之间距离精度,σ1㊁σ2
㊁σ3㊁σ4㊁σ5分别为RTK平面精度取ʃ25mm(10-20km基线)㊁ʃ15mm(5-10km基线)㊁ʃ10mm(1-5km基线),RTK高程精度取ʃ50mm(10-20km基线)㊁ʃ30mm(5-10km基线)㊁ʃ20mm(1-5km基线)，差分平面精度取ʃ2.5mm，差分高程精度取ʃ5mm，天线坐标系转换到84坐标系
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2021年第1期门涛，等：基于无人机的测控天线试验鉴定方法
误差取ʃ4mm㊂计算可得无人机到测控天线坐标原点的距离精度为ʃ56mm(10km基线)㊁ʃ35mm(5km 基线)㊁ʃ24mm(1km基线精度)㊂
按被鉴定标准与标准比对取1/3即σ
标准比对/σ
被鉴定标准ɤ1/3，可满足测控天线测距精度大于ʃ0.17m的要求㊂
3.2㊀角度精度
角度精度由RTK定位平面精度和高程精度㊁差分位置平面精度和高程精度㊁测控天线坐标系转换误差㊁无人机到测控天线坐标原点基线长度值构成㊂角度精度可按下式计算:
σangle=arctan(σ21+σ22+σ23+σ24+σ25/L)
(2)式中㊀L为无人机到测控天线坐标原点基线㊂计算可得角度精度分别为ʃ11.56ᵡ㊁ʃ2.3ᵡ㊁ʃ1.16ᵡ㊂对于测控天线波束宽度(3dB)为0.1ʎ情况，单脉冲测角体制测角精度按1/10波束宽度计算，测控站测角精度为ʃ0.01ʎ，再按被鉴定标准与标准比对取1/3，需要作为标准比对的角度测量精度小于ʃ12ᵡ，当无人机到测控天线坐标原点基线长度为1km 时角度精度为ʃ11.56ᵡ，就可满足测角精度鉴定要求，更长的基线则角度精度更高㊂
3.3㊀速度精度
速度精度由北斗授时精度㊁RTK定位平面精度和高程精度㊁测控天线坐标系转换误差构成㊂速度精度按下式计算:
引道结构图
σvelocity=σ2t+σ21+σ22+σ23(3)式中㊀σvelocity为测控天线坐标原点到无人机之间速度精度,σt㊁σ1㊁σ2㊁σ3分别为授时精度ʃ20ns,RTK 平面精度取ʃ10mm+1ppm,RTK高程精度取ʃ20mm +1ppm，天线坐标系转换到84坐标系误差取ʃ4mm㊂计算可得速度精度ʃ24mm/s，与无人直升机25-35m/s运动情况下，机上RTK速度精度ʃ0. 03m/s比较接近，可满足测控天线测速精度要求㊂3.4㊀误差分析
采用无人机搭载测控载荷进行天线标校的方法也将引入新的误差，主要是飞行姿态变化和机载载荷天
线与北斗差分天线位置不一致引起的误差㊂北斗差分天线布设在无人机顶端，而测控载荷天线设置正下方的机腹位置㊁飞机惯导配置在飞机质心，设计阶段对差分天线与载荷天线㊁质心处惯导位置误差进行了精确测量，在数据处理过程中扣除该距离引起的误差，但最终还会因为飞机姿态及抖动引起厘米级的误差㊂为减少无人机姿态变化引起的误差，本项目为测控载荷设计了全向收发天线，同时地面设备在无人机爬升㊁转弯等状态下不跟踪载荷，仅在无人机平飞或悬停状态下进行试验，尽量减小无人机姿态变化引入的误差㊂此外，受天气影响(风㊁雪等)，无人机姿态变化较大，影响标校天线位置稳定性，接收信号电平幅度不稳定，进而影响标校结果㊂
尽管无人机搭载载荷的标校方法引入新的误差，但无人机平台作为可移动的 标校塔 ，可以灵活地构造外部标校环境，不受地理条件限制，在新型航天测控装备的标校测试中存在工程应用前景㊂无人机测试方法㊁标校塔㊁卫星标校等三种标校方案的优缺点如表1所示㊂
表1㊀天线标校方法优缺点对比
Table1㊀Comparison of advantages and disadvantages
of antenna calibration method
异丙醇钛无人机标校塔卫星
优点
(1)不受地形时
间限制，随时随
地开展标校;
(2)可开展高频
天线标校，作为
标校塔的补充;
(3)经费量小㊂
(1)标校精度高;
(2)实施简单㊂
哺乳外衣(1)标校精度高;
(2)实施简单㊂缺点
(1)需处理无人
机姿态变化误
差;
(2)需开展航迹
规划与飞行，操
作相对复杂㊂
(1)需开展标校
塔建设，工程建
设经费高;
(2)受远场条件
限制，高频段天
线无法采用该方
法，使用受限㊂
((1)经费量大;
(2)无低轨高频
段标校卫星;
(3)圈次固定，不
能随时随地开展
标校㊂
4㊀数据处理流程
精度鉴定数据处理流程是以北斗差分接收机定位结果为标准，通过与测量设备测量结果的比对㊁统计
检验，鉴定测量设备的性能和精度，分离并确定其系统误差和随机误差，研究并掌握其误差变化规律，如图5所示㊂具体工作步骤如下:
l)差分北斗接收机相对定位精度评定㊂
87空间电子技术2021年第1期
2)数据时间对齐㊂将差分北斗接收机定位时间与测量设备测量时间对齐，并采用统一的时间系统㊂3)坐标转换㊂将差分北斗接收机采用WGS-84坐标系测量计算结果，转换为测控设备装订的大地坐标系测量数据㊂
4)差分北斗接收机结果与测量设备结果比对㊁作差，求出各观测时刻的差值，剔除粗差㊂
5)计算测量设备的总误差㊂
6)计算测量设备的系统误差和随机误差，确定测量设备误差变化的规律㊂
图5㊀数据处理流程图
Fig.5㊀Data processing flow chat
5㊀结论
本文探讨了基于无人机平台的测控设备试验鉴定系统的组成，工作模式及鉴定方法，并分析了试验精度㊂该方法为航天测控天线试验鉴定的实现提供了新思路，无人机平台作为可移动的标校塔及鉴定平台，可以灵活地构造外部试验环境，不受地理条件限制㊂因此，它在大口径航天测控天线的试验鉴定邻域具有应用前景㊂
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