《飞行器测控技术》1988年总目录

测控总体 美国国防部有关GPS在试验和训练靶场的应用计划(一)P .1一4 GPS在弹道导弹跟踪中的应用(一)P .5一8 未来的小型机动式GFS靶场测量设备(一)P .9一10 全球定位系统用于空间超高动态飞行器的跟踪(一)P .11一13 GPS用于试验和训练靶场的误差估算、精度及其有关系问题(一)P .14一66 SATRACK一I和SATRACK一l导弹跟踪系统的工作经验与设计指标(一)P .6了一73 GPS用于MX导弹飞行试验的实时跟踪(一)P .74一80 三叉戟I型导弹利用转发GPS信号进行实时跟踪的现场试验结果(一)P .81一86 跟踪和数据中继卫星系统的近期发展(三)…     

GPS用于试验和训练靶场的误差估算、精度及有关问题

目前三军正在进行的研究将给出如下成果,即GPS技术用于试验和训练靶场的测量设备的典型结构,性能评价以及成本分析资料。西靶场在GPS用于靶场外测方面是个先行部门。在研究初期,收集了各种GPS资料供参考。这些文献及西靶场从其它GPS计划得到的经验是本报告的基础。本报告提供的信息对靶场分析人员研究和评价各种基于GPS的靶场测量方案非常有用。某些课题尚未深入研究,还需进一步做工作。本报告的课题为:各性能鉴定项的定义,多卜勒数据处理,地面伪卫星的使用,二维和三维导航解,接收机和转发器结构,运载体动态对接收机工作的影响。     

利用GPS遥控链路的天基停飞系统

本文研究了利用L波段遥控专利方案实现基于GPS靶场的真正综合式靶场测量系统必须解决的问题。着重讨论硬件及从单音调制遥控系统变换成采用加密和扩频的数字系统需解决的问题。还将谈到将该系统纳入美国空军靶场标准化和自动化(RAS)结构作为一种可能的GPS靶场方案所需费用和时间安排的一些想法,并讨论如果采用该方法将带来比现用系统的优越之处。     

用于试验靶场的全球定位系统外测设备

为了给三军靶场部门开发一个NAVSTAR GPS靶场设备系列,组建了靶场应用联合计划办公室(RAJPO)。分析科学公司协助该办公室分析了在试验和训练靶场业务中使用GPS测量时间、空间和位置信息(TSPI)的潜力,研究了GPS靶场设备系列的功能和性能参数,并帮助解决了若干技术问题。本文给出了有关GPS用于靶场的重要研究成果—成本/性能比,这有助于说明GPS在靶场中的作用。文章着重阐述了所建议的GPS靶场设备系列的功能,叙述了每种设备,以及与其它设备的关系。此外,还点出了目前计划中存在的技术问题。     

用于GPS外测的数字转发器

目前,在许多导弹跟踪测量中,例如三叉导弹和ERLS(大气层外再入体拦截器系统)试验,使用几种模拟转发器。安装在导弹上的转发器将接收到的L波段信号变为S波段再发送到地面的转发处理系统(TPS),对飞行器进行定位。这种方法较之使用GPS靶场测量吊仓分系统的优点在于飞行硬件体积小、重量轻以及造价低。此外,在TPS中采用专门的跟踪环,可以在50g加速度和50g/s加加速度这样极高动态条件下跟踪GPS信号。此外,在TPS中使用用户专门研究的信号处理技术可在几秒钟之内快速捕获转发信号。靶场应用计划联合办公室的弹道导弹转发器体积为655立方厘米,重量为2.27公斤。以现有技术采用数字转发器设计方案完全可生产出体积更小巧的设备。正如本文所指出的那样,对于某些应用,数字方案可大大改善跟踪性能,并增加许多其它功能,例如保密计划中可对信号加密。用现行技术制造的数字转发器可以封装于一个82立方厘米的模块中。本文叙述了这种设备的设计,讨论了在追求比模拟设计方案体积更小、性能更好场合的应用。     

只有利用GPS才能满足北约战术战斗机训练中心的测量要求

由于近几年内在西欧地区发生了大量军用飞机事故,而且越来越需要低高度空战飞行训练,因此北约将在欧洲以外建立一个战术战斗机训练中心。面临特殊的测量要求,需要一个独特的靶场测量系统。战术战斗机飞行训练将在65000平方公里地区上空展开,100架飞机将在近地面至30Km的空中飞行。此外,必须在不同的位置至少配35个威胁发射机。整个靶场必须易于重新配置并且机动(非固定地面站)以满足环境变化和各种训练要求。由于这些苛刻的限制条件,只能采用GPS来解决测量问题。在三个基本领域内,要解决面临的测量问题,最理想的是采用靶场应用计划(RAP)的GPS设备及其配套的第二代RAP数据链。这三个领域是目标跟踪、数据传输和威胁发射机的控制。GPS对于其中每个领域都有其长处。 GPS目标跟踪:提高了目标位置和速度精度;能跟踪多达100个目标;能跟踪地面至30Km高的目标;能覆盖整个65000平方公里区域;仅需要少数几个地面站;可使用无需勘测的机动地面站。现代化的数据链路:数据链路独立于定位系统;采用高带宽效率技术;最多能对付100个目标;可远距离传输;采样速率更高;使用机动地面站;经飞机一飞机中继还可扩大覆盖区域。 GPS控制的威胁发射机:成本大大低于人工/雷达控制的威胁发射机;威胁密度可很高;可机动(可自己测定位置);跟踪精度高;目标捕获和自跟踪简单;可程控各类威胁发射机并可模仿现场操作手。用GPS解决靶场测量问题,会带来许多有利后果:可建成全机动靶场,可灵活配置一可大可小;可为100多个目标服务;可配大量威胁发射机;靶场易于重新配置以适应各类训练场面;靶场对环境无特殊要求(不必改造地形)。     

GPS/SINS超紧组合导航的性能分析

GPS接收机在高动态环境下很容易失锁,特别是载体的高动态造成的应力对接收机载波跟踪环影响很大。为了解决高动态环境下的组合导航,分析了GPS接收机载波跟踪环的测量误差和跟踪门限,采用惯导速度辅助GPS接收机跟踪环路的超紧组合结构。超紧组合需要涉及到GPS接收机跟踪环内部编排及高动态环境下的实验数据,难度较大。针对超紧组合仿真专门开发了GPS实时软件接收机、高动态GPS中频信号仿真器和惯导模拟器并构建了一个完整的GPS/SINS超紧组合仿真系统。仿真结果表明,该超紧组合导航系统可以跟踪50g的加速度和10倍音速。     

低成本多传感器组合导航系统在小型无人机自主飞行中的研究与应用

为了满足小型无人机自主控制系统对导航系统性能的要求,研究低成本的基于微机电系统的捷联惯性导航系统(MEMS-SINS)/全球定位系统(GPS)/磁强计组合导航系统。提出一种利用磁强计辅助MEMS-SINS的静基座初始姿态确定方法,采用四元数误差模型对MEMS-SINS/GPS/磁强计组合导航系统进行信息融合的建模,采用基于正交三角(QR)分解的平方根无色卡尔曼滤波(UKF)非线性估计方法对组合导航系统进行数据融合,克服由于计算机舍入误差引起的状态协方差阵的计算值失去非负定性甚至对称性,通过小型无人机的自主飞行试验,证实MEMS-SINS/GPS/磁强计组合导航算法满足小型无人机自主控制系统的要求。     

用GPS引导电影经纬仪、激光雷达和威胁发射机

三军GPS靶场应用计划中开发的GPS设备已投入使用。在试验和训练靶场一项很有希望的应用就是电影经纬仪、激光雷达和威胁发射机的指向控制。电影经纬仪和激光雷达用于靶场外测精度极高,可是波束捕获范围极窄,需要外部引导。无人值守威胁发射机也需要外部指向信息。在这一应用领域,在被试或训练飞行体上装GPS接收机或转发器,飞行体的位置经下行链路发到跟踪站,在跟踪站上计算出指向角,用来引导或控制电影经纬仪、激光雷达或威胁发射机。由于差分GPS的精度很高,所以这种引导方法很精确。利用高速率直接下行数据链路,指向信息的时间延迟很小,对高动态飞行器仍能提供高精度引导信息。这种方法不需要在跟踪站上配值守人员,所以这种方法是控制这些设备的高效费比方法。     

一种机载平台动态测姿精度检验方法

机载惯导平台目前只在实验室转台上进行过测试,实际动态情况下对较高姿态测量精度无法测试。本文针对这种情况,提出一种利用机载实况记录系统输出的测角数据、飞机和靶机位置数据等信息,对机载平台动态测姿精度进行检验的方法。     

爱德华空军基地的时空位置信息

爱德华飞行试验靶场是国防部的一个重要靶场,它为许多飞行试验计划服务。通过实施测量设备和技术的改进计划以及在飞行后处理软件中采用更完善的误差模型,使日益复杂和高精度的数据要求得到了满足。软件的改进提高了技术人员质量控制的能力,多测量设备数学模型提高了可供各种用户利用的时空位置信息(TAPI)的精度。     

极弱信号环境下GPS位同步和载波跟踪技术

为解决环路未锁定、无法找出正确的导航数据位跳变点时极弱全球定位系统(GPS)信号跟踪问题,通过分析信号跟踪模型和相关器1 ms采样数据特性,将最优路径动态规划算法应用于GPS位同步,并提出基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)和位同步结合的载波联合跟踪算法。建立了适合位同步的SRUKF载波环参数估计模型,针对位同步的实现条件和无相位频率先验信息的情况,将位同步模块提前,研究设计了环路未锁定时串行和并行两种弱信号跟踪方案。位同步跟踪完成后环路采用单独的SRUKF工作方式。实验结果证实该文提出的算法具有较高的数据位边缘检测概率(EDR)和参数估计性能,而无须关心环路是否处于锁定状态,能够对载噪比低至22 dB/Hz的弱信号实现跟踪。     

天基与地基测量数据融合技术在靶场的应用

随着GPS技术的发展,靶场的测控也在逐步由地基测控网过渡到天地结合的一体化综合测控网。如何将天基测量数据同靶场现有的高精度测量带测量数据融合处理,近年成为数据处理的热点话题。本文就某具体任务,对天基和地基测量数据融合技术的方法和工程应用作了详细介绍,给出了初步的结论,提出了天基测量数据在工程应用时应注意的问题和有待进一步分析的问题。     

通过事后分析提高GPS的外测精度

通过事后分析可以提高GPS的外测精度。为了试验和鉴定目的,欲测量被试验体的时间空间位置信息(TSPI),现在已有不少方法。如果使用GPS,可考虑两种方案。一是在被试验体上装载GPS接收机,在运功体上测定TSPI,再通过遥测将数据送到地面。二是在运动体上装载一个GPS变频转发器,传送宽带GPS信息到地面。在地面站完成TSPI测量。本文指出,与装载接收机相比,装载GPS转发器的方案可以获得更高的测量精度。精度的提高来自两点:装载GPS接收机时仅处理来自4颗卫星的距离,得到运动体的位置。在某一位置上,所选用的4颗GPS卫星的GDOP值,可能是,也可能不是最佳。在转发方案中,运动体视场内所有信息都转送到地面进行处理。来自所有卫星的宽带数据都加以记录,以便作事后处理。作节后分析时,可按最佳GDOP选择最有利的卫星,或处理视场内所有卫星的数据,得到最高精度。记录宽带数据的能力还带来另外一些重要的事后处理好处。在飞行试验之前,只能估计试验体的飞行动态。飞行体上接收机跟踪滤波器参数依此作调整。如果飞行体运动异常(试验飞行中完全有可能这样),接收机就有可能对卫星失锁,所有的TSPI数据都会丢失。如果用GPS转发器,在地面站记录所有卫星的数据,在事后分析中重放该数据,可根据实际飞行动态,将滤波器最佳化,不会丢失TSPJ数据。此外,还可由数据处理来填补丢失的数据。     

地空靶场实时GPS载波相位差分测量系统的应用研究

地空靶场实时GPS差分高精度测量系统是当代飞机飞行试验中解决火控系统标校、测控系统校飞或导弹武器系统精度试验等问题的有效手段,是地空靶场测控系统的重要组成部分。本文基于载波相位观测量的GPS实时差分定位的原理,以及对数学模型的分析,论述了将GPS实时定位技术应用于地空靶场中机载或弹载导航系统的实现方法。文中详细地规划了基准站和移动站,以及它们之间实时互访的构建方案。     

美国国防部有关GPS在试验和训练靶场的应用计划

美国国防部着手组建的NAVSTAR GPS(图1)可为装备用户设备的运动体提供高精度位置、速度和时间信息。该项研究计划一开始注重GPS的战术和战略应用。目前,国防部已认识到GPS应用于靶场跟踪的潜力。本文介绍了GPS应用于国家试验和训练靶场的国防部计划。     

利用卡尔曼滤波器将伪距和载波连续相位相结合的GPS导航

GPS伪距信息加载波相位测量值辅助的想法由来已久。这两种互补形式数据相结合可实现高精密定位,而高频误差很小,特别有利于高动态场合应用。本文给出了两种基于卡尔曼滤波的方法,能有效地将GPS伪距和载波测量值结合起来。其中一种是两种测量值的常用组合方式,这里载体的运动描写成随机过程。另一种,则由连续载波相位测量值给出一条精确反映动态的基准轨迹,与惯性系统的方式非常相似,再借助卡尔曼滤波器利用伪距数据来更新这一基准轨迹。这种综合法看起来特别有吸引力,因其动态响应好,同时又可保留伪距数据滤波的好处。     

高级靶场测量飞机的改进及现代化计划

目前,已制造了七架EC-135型高级靶场测量飞机(ARIA),用来接收、记录遥测数据并对其进行实时中继。现在正给这些飞机改装新设备,使之满足本世纪内用户对机动遥测数据收集及转发的要求。高级靶场测量飞机的两套主用测量电子设备已经搬上C-135B型飞机(此种飞机使用TF-33风扇式发动机)。另外几架的改装将采用波音707-320C型飞机。测量设备方面的变化包括新的记录器、天线、天线控制系统、馈源、跟踪系统及遥测接收机。     

倒GPS外测系统

本文根据美国即将建成的全球定位系统(GPS)基本原理,提出了一种将四个以上伪码调制连续波发射机置于地面而不载于高轨卫星上的倒GPS外测系统设想方案。这种系统用于局部航区测量会有成本低;能进行多目标跟踪、姿态测量,脱靶量测量以及飞行器上设备简单等优点。为了说明其实用性,以假想的空—空导弹靶场为例,分析了其测量能力,并粗略估算了其测量精度。实现本系统的关键之一是地面伪码发射机之间的毫微秒(ns)级时间同步能力,为此专门讨论了几种适用于这种倒GPS的高精度时间同步技术。此外,本文还简要说明了这种倒GPS的不足以及其它应用。     

基于液压驱动的动态试验控制系统设计

介绍了应用液压驱动形式构建风洞动态试验控制系统的软硬件设计方法,包括液压马达、伺服阀的参数计算及选型,液压伺服位置控制系统设计方案,基于前馈控制和模糊比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation,PID)控制算法的设计思路,简谐运动的实现方法等。通过试验数据分析,该套系统在5°/2.5 Hz和40°/0.8 Hz以下的振幅/频率组合指标运动下,满足幅值差10%和相位差10°以内的控制指标要求,同时分析得到伺服阀死区特性是运动频率对指标造成影响的主要原因,并得出了基于液压驱动的动态试验系统较传统电机驱动系统的优缺点。