3sNews訊 以“實干 創(chuàng)新 共贏 發(fā)展——發(fā)展測繪地理信息，助推美麗中國建設”為主題的中國測繪學會第十次全國會員代表大會暨2013年綜合學術年會2013年10月11日在北京京西賓館召開。上午大會特邀報告邀請了四位院士專家做了精彩的演講。許其鳳老師是解放軍信息工程大學地理空間信息學院教授、中國工程院院士。許老師的報告是GNSS單天線快速定向。

　　以下為許院士的報告文字實錄：

　　大家上午好!我給大家介紹的是GNSS單接收機快速、定向。GNSS就是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一個統(tǒng)稱，不管是GPS也好，北斗也好都可以叫GNSS。

　　一、需求與背景

　　定向就是測定某個方向的方位角，比如從A點到B點的方向。定向歷來就是重要的議題之一。比如大的測量主題解算，其中正解和分解，反解指的就是求大體的方位角。過去測量大體方位角的方法是用天文測量，測出一個方位角的經(jīng)緯度，由經(jīng)緯度計算。

　　軍事需求：作為軍用來講同樣需要方位，包括定位，比如間接瞄準武器(導彈、火炮)，發(fā)射、需要定位定向。另外除了武器之外還有偵查也需要定位定向。比如現(xiàn)在最大量最普通的定位方式是使用雷達，雷達需要制造坐標原點，就是定位。還有一個就是轉角，零度在哪兒，應該是以正軌作為零度基準。尤其信息融合的時候，沒有定向和定位更容易產(chǎn)生很多問題，比如說實際有過的情況，比如說海上的偵查、空中的偵查，地面的遠程偵查，大家都對某一個軍艦取得偵查的結果。結果經(jīng)過信息融合以后給出來的不是一個軍艦，而是一個艦隊，好幾艘軍艦，就是因為時空標準不一樣。時空標準體現(xiàn)在這里就是定位和定向。

　　作為軍用要求來講要求全天時、全天候并且快速。全天時就是一天24小時，全天候就是不管陰天下雨、刮風晴天都可以，另外就是快速。這樣原來天文大地方法就不太適用了，比如說全天時，經(jīng)典傳統(tǒng)的天文測量白天不太好用，另外陰天看不到星星和太陽，就無法使用。過去有時候測一個天文點一個禮拜甚至半個月的時間，就是等天晴。當然還有其他的方法，比如性導航系統(tǒng)，也可以給出定位和定向，但是一個是它價格比較昂貴，第二個是它有飄移，需初始標定。用衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以同時定位和定向，同時也可以全天時、全天候的進行，也可以比較快速。本來是要求定位、定向兩個方面都要，但是定位是比較成熟的技術，因此，我們重點是要解決定向的問題。衛(wèi)星定向是采用兩臺接收機，過去我們是這樣做的，利用兩臺接收機之間相對定位解算出點之間的方位角。這個可以全天候的進行，這個項目我們是1987年開始搞的，那時候是航天部二院有一批導彈要出口，要求能夠進行定向和定位，當時最早的方案是準備冠導系統(tǒng)，當時每臺設備上百萬，所以當時采用了衛(wèi)星的方面解決方位角的問題。

　　隨著信息化戰(zhàn)爭對快速測定要求越來越高，那時候給我們提出的要求是一個小時之內給他測出大體的方位角來，要求精度也比較高，2到5秒，那時候我們只做一個小時，做到1秒的精度。但是現(xiàn)在，更注重的是縮短發(fā)射的準備時間，更重要的是要快速的測出來，因為這涉及到武器系統(tǒng)的生存條件問題?，F(xiàn)在信息化戰(zhàn)爭就是這樣的，偵查到你要打的目標，開始要打了，但是對方也要偵查你，你如果要射擊準備比如測定方位角，測定坐標準備時間太長時間，不等你準備好發(fā)射出去，對方武器已經(jīng)打到你這兒來了，因此涉及到生命問題，關系生存問題。但是比如炮兵要求精度不高，過去導彈發(fā)射要求精度比較高，現(xiàn)在越來越不高了，因為搞了中指導和末指導，這樣對初始發(fā)射階段要求不高了。按炮兵要求是3分鐘的時間要測出來，但是對可靠性要求很好，不要把它測錯了。萬一錯了，哪怕是萬分之一，不像我們搞測量的，測完了一看超過三倍差可以刪掉，這個不行，因為測錯了導彈打到別的國家會惹麻煩的。這不是玩笑。比如炮兵提出來3分鐘要完成定位和定向，定位沒有問題，導航可以滿足要求，要求精度是5米。密位是1豪弧度。

　　但是相對定位難于達到快速可靠的要求。我們搞測量的知道如果觀測量多了精度就可以提高了，如果提高采樣率，原來是1分鐘觀測一次，我現(xiàn)在一秒鐘觀測一次，這樣一分鐘可以觀測60次，精度必然會提高。傳統(tǒng)測量都有這個概念，但是這個概念對衛(wèi)星測向來講有問題，增加觀測量以后，靠提高采樣頻率增加觀測量，時間短，同樣的觀測量，這個幾乎是沒有效果的，精度提高不了。

　　二、分析

　　究竟什么原則提高采樣不能解決精度提高的問題?甚至是一個無解的答案。雙機相對定位方程要解的參數(shù)一個是坐標差，還有一個是模糊度，也叫模糊參數(shù)，衛(wèi)星測量測的結果只是把小數(shù)測的更準確，整數(shù)不知道。未知數(shù)的系數(shù)是決定了這個解能不能更好?它基本的量是到衛(wèi)星的方向。這樣看問題可能不是很清晰，測第一個衛(wèi)星組的時候，N在方程式里面，測第二顆衛(wèi)星的時候，第一顆衛(wèi)星模糊參數(shù)就不在里面了，也就是說，要結算模糊參數(shù)，只對你所測的衛(wèi)星才有貢獻，其它的衛(wèi)星對這個是沒有貢獻的。

　　改變一下順順序，觀測時間長，系數(shù)(衛(wèi)星方向)變化大，解的穩(wěn)定性好。

　　三、定位定向儀

　　這個設備只用一臺接收機，固定在一個可以旋轉的臂上，旋臂旋轉，采樣的時候同步記錄轉的角度。觀測衛(wèi)星的同時記錄轉角在哪兒?解算是度盤零點的方位角。我們的度盤有個零，零是指向某一個方向的，要解算的就是度盤零點的方位角。一旦把零點方位角解算出來，那么設備瞄準任意一個方向都可以從度盤上直接讀得它的方位角。(演示)接收機本來在一個旋臂上，轉不同的角度指向應該是有不同的變化，接收機是正面，面板始終朝著一個方向，

　　四、工作原理

　　如果單個接收機旋轉過程中觀測的時候我們可以建立一個觀測方程。(方程)就是不含零點的方位角，T1、T2、T3，是觀測過程中所記錄的轉角，系數(shù)包括旋臂轉角正旋或者余旋參數(shù)。方程中待估參數(shù)D。的系數(shù)含旋臂轉角的余弦函數(shù)因子。

　　五、實驗

　　觀測時間2分46秒，采樣頻率每秒5次，數(shù)據(jù)處理時間5秒，定位精度是0.45密位，這個0.45密位的取得和傳統(tǒng)測定大體方位角進行比較的。定位精度是3.5米，測試樣本數(shù)量167個，也就是測了167次，統(tǒng)計結果是0.45密位。測試樣本數(shù)量一半是在廈門做的，一半是在鄭州做的。這是基本要求，原來要求3分鐘我們就測了3分鐘。

　　在此基礎上我們想能不能改變一下觀測時間，比如縮短觀測時間。某一個測段，測一次大概需要3分鐘左右的時間，包括五個雙周，如果只取第三個雙周統(tǒng)計，觀測時間只有30秒，這樣看看它的精度如何?還有一個是加長觀測時間。取三個相鄰測段，大概是8分鐘，看看它的精度如何?也就是說如果要求精度可以加長觀測時間，如果要求快速我可以縮短觀測時間。

　　我們按照標準3分鐘的時間，測段數(shù)167，精度密位0.45，如果縮短到33.4秒，進行104次測試，它的精度是0.97密位，也符合炮兵一個密位的要求。如果加長觀測時段到8分18秒，測段只有43個，精度密位是0.25。根據(jù)這個實驗情況，我們做一下估計，如果增加采樣頻率，可起到加長時段的效果，可以提高精度，但是這只是估計的，沒有實驗證明這一點。

　　六、技術特點

　　可以用于任何衛(wèi)星到很系統(tǒng)，因為我們在方位解算的時候只用到了衛(wèi)星位置和載波相位觀測量，因此不管是GPS還是北斗都可以使用這種方法。

　　單接收機旋轉快速定向

　　方程系數(shù)變化迅速，提高采樣率可以縮短觀測時間

　　單接收機比較經(jīng)濟、適用于大用戶群。設備主要成本在于接收機，如果用兩個接收機成本會大大提高。這是比較適合于大用戶群，比如炮兵。

　　解算度盤0點指向的方位

　　不解算兩點間的方位，可以得到任意指向的方位。

　　便于方位傳遞。適合于快速、多陣地聯(lián)測。一臺設備可以解決多炮位的問題，同時也節(jié)省時間。

　　這種方法可以消除天線相位中心的偏差。它是同一個天線指向是恒定的，相位中心就是衛(wèi)星測量的天線，它的中心不是幾何中心，是相位中心，是飄忽不定的，這會造成很主要的誤差點，尤其是近距離的時候。這和什么有關?和衛(wèi)星的指向有關，衛(wèi)星不同的方向天線漂的地方不一樣，因此造成比較主要的誤差。這個方法不同的天線也不一樣，不同衛(wèi)星的方向也不一樣，用同一個類型的天線，指向也是恒定的。比如接收機包括天線始終保持同一個指向，這樣就可以消除天線相位中心的偏差。這點尤其適用于抗干擾天線?，F(xiàn)在天線相位中心做的比較考究，據(jù)大量觀測數(shù)據(jù)可以到2毫米左右(國產(chǎn))的，2毫米對于基線長度是1米的，甚至可能帶里一兩個歷位的誤差。當然可以做的更好，但是有一個問題，我們現(xiàn)在用衛(wèi)星做軍事應用最大的問題就是抗干擾的問題。威脅信號是很微弱的，一旦有展示行動對方肯定會干擾，這時候就要用抗干擾天線解決問題。抗干擾天線接受是多單元的，因此相位中心不可能很好。既然保證抗干擾性能，就是可以任意指向增意等于0，要保證抗干擾，那么很難同時保證相位中心還保持穩(wěn)定。所以這對抗干擾天線來講，也就是說它的相位中心誤差比較大的時候，效果比較明顯。

　　削弱多路徑影響。

　　設備無需精確整平。整平也很費時間，又要對中、又要整個平均，這個既不對中也不整平，它的姿態(tài)是作為系統(tǒng)誤差參與解算。如果需要的話還可以把姿態(tài)解算出來。

　　七、有待改進

　　這個工作現(xiàn)在還沒有完全做完，我們覺得有些地方還需要進一步做工作。一個是結構上的改進。一個懸臂圖看起來還是可以的，但是把這個設備裝了箱提著它到處跑還是很困難的，還是比較大。它需要是便攜的適合于野戰(zhàn)要求的。

　　國產(chǎn)雙系統(tǒng)接收機：需要相應軟件的改進。因為我們剛才做的那些實驗都是用GPS做的，那時候還沒有北斗，現(xiàn)在有條件了，我們也要進行相應的實驗。

　　位置、方位信息的傳遞。很簡便的利用電子或者是光學的，通過通訊手段解決，不用跑來跑去。

　　典型用戶試用：比如說炮兵、雷達，先用用看有什么需要改進的地方。

　　謝謝大家!　　　

　　(此為報告人現(xiàn)場發(fā)言速記記錄，未經(jīng)報告人本人審核。)