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1、华中科技大学博士学位论文基于GPS的弹射试验测试系统研究姓名：王利恒申请学位级别：博士专业：检测技术与自动化装置指导教师：李昌禧20070109华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 弹射座椅是在紧急情况下将飞行员弹射出舱并带离危险区以获得救生的设备。 弹射座椅在设计定型前要经过大量的试验以验证其各项救生性能。 目前弹射试验主要依靠光测和遥测。基于 GPS 的位置、速度测量是一种先进的测试技术，将其与先进的数据处理技术相结合可以实现一种新的弹射救生试验测试技术， 构建功能强大的测试系统，对于航空试验测量有重要理论和实际意义。
2、为方便测试结果的定义和转换，工程测试系统首先要建立其时间和空间参考。基于 GPS 的测试系统涉及到多种时间和空间参考系统。本文首先定义了测试系统的时间参考和空间参考，确定其与各种 GPS 时间和空间参考系统的转换关系。 基于 GPS 的弹射试验测试系统主要由地面 GPS 测试基准站、地面数据处理计算机和机载测试装置三部分组成。地面基准站与机载测试装置共同构成差分定位方式。由于测试结果由数据后处理获取，没有实时性的要求，因此机载测试装置与基站间不设数据通信链路，所有的测试数据都同步保存到测试设备中以便事后处理使用。 适宜的定位算法可以有效地提高定位测试精度，本文根据对象的动态特性选用载波相位差分
3、算法以获得优良的测试性能。事后数据处理使用的是 GPS-OEM 板的原始测量数据，以获得更高的数据更新率。为了避免误判和漏判消息帧，对原始二进制数据流进行解码以获得测量数据和卫星星历时使用了滑窗算法。本文采用站际、星际双差观测模型进行载波相位差分定位解算。 随机噪声的影响会给系统引入测试误差，这种误差对于基站和测站没有相关性，无法通过差分运算进行消除或减弱。 数据平滑和滤波可以有效减少随机噪声带来的误差。观测信息的冗余是进行数据平滑的前提，应用最小二乘准则对单历元观测信息进行纵向平滑，以减小观测误差。卡尔曼滤波属于最优估计滤波。它可以在含有噪声的信号中估计出系统真实的状态。 但是卡尔曼滤波只有
4、在建立较准确的系统模型和观测模型的情况下才是最佳的。当系统的滤波模型与实际不匹配时，会使滤波精度下降，严重的还会导致滤波发散。本文结合测试对象的高动态特性，对不同系统模型的滤波效果进行了仿真分析，并采用了对象的“当前”统计滤波模型和自适应滤波算法，仿真结果和实际试验结果表明，该方案获得了良好的滤波效果。 通过大量的试验研究表明，将 GPS 应用于弹射轨迹的试验测试是可行的，用适宜的定位算法和滤波算法可以获得亚米级精度。但对于高动态的试验环境，如何解决卫星失锁将是工程应用中必须解决的问题， 本论文最后探讨了几种可用于工程应用的地华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学
5、 博 士 学 位 论 文 II面增强系统。 本论文的创新工作主要包括： 1、将 GPS 差分定位技术引入到弹射救生试验测试中，产生了新的弹射试验测试方法，提高了测试水平和测试的自动化程度。 2、将静态差分定位的后处理手段和动态差分定位测试有机结合，解决了动态精确定位、测速问题。 3、同时使用纵向平滑和横向平滑的滤波算法，建立了加速度“当前”统计模型的Kalman 自适应滤波算法，有效提高了测试数据的后处理的抗干扰能力和测试精度。 随着 GPS 现代化计划，以及 GLONASS 和 Galileo（伽利略）系统的建设，卫星定位将会在弹射试验测试中发挥更加突出的作用。 关键词关键词：全球定位系统，
6、 差分定位， 救生系统， 弹射试验， 卡尔曼滤波， “当前”统计模型 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IIIAbstract Ejection seat is a device which rescues the pilot by taking him out of the danger in case of emergency. Plenty of tests must be done to validate every life-support performance before finalizing the design o
7、f ejection seat. Currently the ejection test relies on photo-graphic measurement and radio remote measurement. GPS-based position and adopted the current statistical models of acceleration and adaptive Kalman algorithm. The simulation results and actual test filtering results indicate that the testi
8、ng precision be improved effectively. According plenty of test researches, it is feasible that apply GPS to ejection test; Proper position algorithm and filtering algorithm can acquire sub-meter precision. It must be resolved in engineering application that how to settle the lost-lock of the signal
9、of satellites under the high dynamic test condition. Finally this dissertation discusses some ground enhanced systems that can be used in engineering application. The innovation works of the dissertation including: 1. Introduced differential GPS position into ejection test, produced new test means,
10、improved test proformance and test automatization. 2. Integrated the post-process of static differential position and dynamic differential position, solved the problem of dynamic position and velocity measurement. 3. Used the long-direction and lateral-direction adjustment filtering algorithm; built
11、 the current statistical model of acceleration and adaptive Kalman algorithm, improved the anti-jamming of post data process and test performance. In company with the project of GPS modernization and the construction of GLONASS and Galileo, satellite-position will play more important role on the eje
12、ction test. Keywords: Globe position system; differential position; Escape system; Ejection test; Kalman filtering; Current statistical model I独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签
13、名：王利恒 日期： 2007 年 1 月 9 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 王利恒 指导教师签名：李昌禧 日期： 2007 年 1 月 9 日 日期：2007 年 1 月 9 日 本论文属于 华 中 科 技
14、 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 弹射试验测试技术概述弹射试验测试技术概述 1.1.1 常用外轨道测量方法常用外轨道测量方法 外弹道测量一直是导弹、卫星、飞行器等应用领域测试研究的热点。各种测量理论和测量方法在不断的提出和完善。 通常导弹发射和卫星发射都属于外弹道学研究的范畴。外弹道测量的结果是分离、确定各种制导误差，鉴定制导精度和导弹命中精度的标准，是对卫星进行精密定轨的关键和必不可少的数据。外弹道测量的数据处理可分为实时数据处理和事后数据处理。 实时数据处理主要是提供安全控制信息以及为试验场和航区的测控系统及时捕获目标
15、提供引导信息。 事后数据处理结果主要用于对测试对象的轨迹参数进行分析、评定和性能改进。因此外弹道试验的测量及数据处理在试验中非常重要，获取外测数据是整个试验的重点和后期改进工作的依据。 外弹道测量常用方法有光电测量、无线电测量、遥测和 GPS 测量等。其中光电测量技术已经很成熟，使用也很广泛。 光电测量1是从传统的光学摄影测量发展起来的，集电视、红外、激光等跟踪测量技术为一体的测量系统。应用的主要设备有光电经纬仪、弹道相机、激光测距仪、高速摄像机等。根据不同的应用要求，光电测量系统可以有不同的配置。光电经纬仪的跟踪精度和测量精度很高， 可以用来进行弹道的精密测量和对无线电外测系统进行精度鉴定。
16、但是光电测量的作用距离较近，并且容易受天气条件的限制。 无线电外测系统是利用无线电波的功率、频率、相位等参量进行测量。具体应用又可分为雷达跟踪测距系统，卫星测量系统等等。随着武器性能的日益改进，雷达跟踪测量系统越来越不能满足外弹道测量的需求。其主要缺点：雷达测量误差随距离增大而增大，不能高精度测定远距离目标的位置；雷达设备庞大，不便于搬迁及站址定位困难，不能迅速地适应试验地点和射向的变化；常规雷达不能作多目标跟踪；由于天线的惰性，常规雷达不能跟踪近距离内高速度的目标2。卫星测量系统是基于无线电外测的又一种应用，其发展很快，尤其以 GPS 应用为显著3。这里把它另分类为GPS 测量。 无线电遥测是将待测电量，非电量（如温度、加速度等）经过敏感、变换采集，华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2并通过无线电通道传送到远处的接收地点进行记录、显示和处理的一种测量技术4。无线电遥测跟踪
