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1、激光测距与卫星导航定位技术组合研究 李燕 王向玲 赵志云 吕梁学院 摘 要： 飞行器轨道测定对激光测距的精度要求较高, 传统激光测距方法随着测量距离的增加, 对于空间飞行器的定位会出现偏差, 进而降低轨道测量精度。提出基于卫星导航定位技术与激光测距的组合方法研究, 首先基于差分处理算法对多平台的卫星导出定位数据进行分析和组合, 提高对飞行器的空间定位精度;分别对空间飞行器进行相对定位解算和相对速度解算, 完成对飞行器的位置的判定;基于相位式激光脉冲传输测距技术, 对方波信号进行分析并提取其频谱的变化规律, 实现对空间飞行器轨道的精确测量。仿真实验数据表明, 提出的组合研究方法定位准确、测量精度
2、高, 同时也能将测量误差控制在一个较低的水平。关键词： 飞行器; 激光测距; 卫星导航; 定位技术; 组合研究; 作者简介：李燕 (1988-) , 女 (汉族) , 山西离石人, 硕士在读, 主要研究方向:卫星导航定位;作者简介：王向玲 (1985-) , 女 (汉族) , 山西平遥人, 硕士研究生, 主要研究方向:结构设计;作者简介：赵志云 (1988-) 男 (汉族) , 山西方山县人, 硕士研究生, 主要研究方向:3S 技术应用。收稿日期：2017-05-13基金：吕梁学院校内基金项目 (ZRQN201603) Combination research on laser ranging
3、 and satellite navigation and positioning technologyLI Yan WANG Xiangling ZHAO Zhiyun Lvliang University; Abstract： Spacecraft orbit determination needs high accuracy of laser ranging, while traditional method will appear deviation with the distance increasing, which leads to low accuracy. Therefore
4、, this paper proposes a combination method based on laser ranging and satellite navigation and positioning technology. First of all, analyze and combine the positioning data given by multi-platforms satellite based on the differential processing algorithm to improve the space positioning accuracy of
5、 aircraft. Complete the determination of the aircraft location through the calculations of relative position and relative velocity of space aircraft respectively. Based on the phase laser pulse transmission and ranging technology, the paper analyzes the change rules of frequency spectrum and realize
6、s the precise determination of the spacecraft orbit. The simulation results show that the proposed method is accurate and can control the measurement error at a low level.Keyword： aircraft; laser ranging; satellite navigation; positioning technology; combination research; Received： 2017-05-13激光测距是利用
7、激光器向目标物体投射出脉冲激光束1, 激光束到达物体表面后反射回来, 由激光器的光电接收装置接收反射回来的激光脉冲, 并计算从发射到接收的耗时, 实现对目标物体距离的测量。激光测距受时空限制较小, 能够进行昼夜不间断的作业。激光测距对于移动物体2-3, 会受到定位精度的影响降低绝对测量精度。激光器接收和发射常位于同一台设备, 可以通过对激光器反射模块的优化设计, 实现对空间飞行器的速差补偿4-5, 完成对空间飞行器轨道的精确测量。全球卫星导航定位系统6-7能够全天候、实时地提供地球表面、近地表及外空的高精度的精密时间、飞行速度及 3D 位置信息。当前世界上已经运行的卫星导航定位系统包括 GPS
8、8、GLONASS9和 BD10。其中 GPS、GLONASS 能够为全球范围内的卫星定位导航服务, BD 的服务对象为局部区域。传统应答式激光测距方法14由于没有对空间飞行器进行有效的导航定位, 会随着空间测量距离的增加, 而降低空间轨道测量精度。为改善传统激光测距方法的不足, 本文提出了一种基于卫星导航定位技术与激光测距的组合方法研究, 方法先依据单差分和双差分算法原理对空间飞行器的多平台卫星导出定位数据进行筛选和分析, 然后分别进行速度和定位的计算, 实现对飞行器的精确定位。然后基于相位式激光脉冲传输测距技术, 分析回波信号获取信号频谱的变化趋势, 完成对空间轨道距离的精确测定。实验结果
9、表明, 提出的组合研究方法对比传统测距方法在测量精度方面具有较大的优势。1 激光测距与卫星导航定位技术组合方法1.1 基于差分处理算法的卫星导航定位数据分析卫星导航定位系统基于内置于系统平台信号接收装置实现对空间飞行器相对位置和距离的判定。这种空间定位方法采用了一种相对差分技术, 本文深入分析了卫星定位相对差分技术, 识别出伪距单差、双差及载波相位, 确定卫星导航的定轨精度11-12, 并构建了一种相对定位和速度的解算模型, 实现对空间飞行器的有效定位, 为后续激光脉冲空间精确测量提供了基础。差分处理方法能够通过导航测量数据的分析和差分组合13, 降低测量的公共误差, 差分按照级数分为单差和双
10、差, 其中单差能够去除测量数据的大气延时误差和卫星钟差。设与平台相近的两台接收装置编号为 R1和 R2, 接收装置以波长为单位, 那么对卫星 i 的载波测定数据分别为 1和 2, 可以分别描述为:其中, L 1和 L2分别为接收装置 R1和 R2到卫星 i 的几何距离, t 和 是对流层和电离层的延时, n i为噪声测定值, 为波长, 为模糊度, t 1-t i和t 2-t i为时钟差。接收装置 R1和 R2到卫星 i 的单差载波测定数据 是二者的差:将公式 (1) 和公式 (2) 合并可得:经过单差分处理后, 时钟效应被消除14, 如果两个平台的直线距离足够近, 那么在电离层的单差延时 ti
11、趋近于零;而当接收装置 R1和 R2高度一致时, i也会趋近于零。此外, 单差的产生能够去除测量数据中空间相关性卫星时钟误差, 提高对空间飞行器的定位精度, 式 (3) 可以再简化为:如果负责导航定位的卫星数量为 m 时, 则在相同时刻形成的单项载波测量数据的集合, 可以用矩阵方程表示:其中, c 为光速, 最终要从单差几何距离 Lm中计算出基线向量。这时接收装置R1和 R2到卫星 i 的伪矩导航定位方程组表示为:在短基线的条件下, 单差伪矩测量数据的观测方程可以表示为:双差分测量值涉及到两个接收装置 R1和 R2在同一时刻对两颗卫星 i 和 j 的测量值, 双差分测量就是对卫星 i 和卫星
12、j 分别单差分析的基础之上, 再进行一次差分处理, 双差可以进一步去除信号的接收机钟差。同理最终能够针对于卫星i 和卫星 j 的双差伪矩测量数据 ij, 表示为:基于卫星导航实现对空间飞行器的精确定位, 需要求解出基线向量 i, 接收装置 R1和 R2到卫星 i 的单差几何距离 di, 可以描述为:其中, l 2为接收装置 R2观测方向。由于卫星 i 和卫星 j 距接收装置 R1和 R2的距离要明显大于基线的长度, 因而可以认为 R1和 R2对同一卫星的观测向量是平行的, 这时包含基线向量的单差载波相位矩阵方程可以表示为:通过上述方程, 能够求解出各个单差整周模糊度值和基线向量 i, 进而实现
13、单差分空间飞行器相对定位的解算, 同理能够求解出双差分定位解算。设 1和 2分别为接收装置 R1和 R2的单位矢量, v 1是接收装置 R1的速度矢量, v2接收装置 R2的速度矢量, 相对速度解算示意图, 如图 1 所示:图 1 速度解算示意图 下载原图接收装置 R1和 R2的 DOPPLER 测量值 Di可以表示为:本文通过单差分和双差分处理算法实现对多平台的卫星定位数据的整理, 又分别对空间飞行器进行相对定位解算和相对速度解算, 能够完成对空间飞行器的精确定位。1.2 基于相位式激光脉冲传输空间测距的实现采用卫星导航定位技术能够实现对空间飞行器轨道的有效定位, 进而提高激光测距的精度15
14、-16, 在对飞行器的空间测距方面, 本文采用了相位式激光脉冲传输测距技术17-18。设激光脉冲的宽度为 w, 脉冲周期为 T, 则激光测距的脉冲信号可以表示为:为了对 f (x) 脉冲信号做方波分析, 需要对上式进行 Fourier 变换可得:激光脉冲信号由大量的单频正弦波叠加组合形成, 此时 Fn可以改写为:如果 di为测量点到空间飞行器的距离, A 点为发射点, B 点为接收点, AB 之间的相位差为 , 则 di表示为:其中, n 为不为零的正整数, f 为调制频率, 设 , 则可以测量出测试地点到空间飞行器轨道的距离:本文设计了一种基于卫星导航和激光测量相结合的组合方法研究, 通过对
15、定位数据的分析和解算处理完成对飞行器的定位, 最后基于相位式激光脉冲传输测距技术实现对空间飞行器的激光测距。2 实验部分2.1 实验环境配置依据差分处理方法原理进行的仿真实验环境配置包括各项具体数据的处理和定位测量的质量检测, 如表 1 所示:表 1 实验环境配置 下载原表 2.2 卫星导航定位误差实验结果分析接收装置采集了 20 个频点的数据, 并基于卫星导航差分定位系统分别进行差分计算和相对卫星导航定位处理统计, 分析实际的定位误差。采用本文提出的组合方法分别测定这 20 个频点的水平定位误差和高度定位误差, 如图 2 和图 3 所示:图 2 平均水平定位误差曲线 下载原图图 3 平均高度
16、定位误差曲线 下载原图从图 2 和图 3 的水平和高度的误差曲线变化可以分析出, 水平和高度定位误差都能控制在1m 之内, 定位精度较高。2.3 激光测距精度分析与修正在采用卫星导航定位技术对空间飞行器定位的基础上, 针对不同的距离进行 3组实际测量, 测量数据统计, 如表 2 所示:表 2 实际测量数据统计结果 下载原表 从表 2 的数据能够分析出, 本文提出的组合算法能够将误差控制在 0.5%之内, 精度较高。本文采用直线拟合算法对激光测量的误差进行进一步修正, 设变量x 和 y 之间存在的关系为 y=bx+a, 基于最小二乘法使激光测距值 yi的加权平方和最小, 即使 的值最小, 并使 a 和 b 的偏导数为零。基于误差理论可知, 进行 n 次测量取平均值后可以将精度提高 倍, 在使用 MATLAB 软件进行数据拟合得到的散点图, 如图 4 所示:图 4 测量数据拟合散点图
