同温层气球平台反向定位系统的研究.docVIP

 同温层气球平台反向定位系统的研究 段方 刘建业 赖际舟 熊智 (南京航空航天大学 , 南京 210016) 摘要 反向定位系统是针对驻留型同温层气球平台的一种新型定位系统 , 该系统的基 本原理是由接收站的位置计算得出发射机的位置 。文章采用卡尔曼滤波的方法 , 建立了反 向定位系统的模型 , 给出其滤波算法 ; 鉴于地面接收站的位置选择对该系统的定位精度有 较大的影响 , 给出地面站选址依据 , 并通过计算 、仿真获得一组较为理想的布站方式 。此 外 , 钟差是系统的一个主要误差源 , 文中对其引起的定位误差进行了分析 , 并给出估算的 方法 ; 对系统中的传播误差 、设备误差也进行了分析 。最后 , 对系统建立了仿真模型进行 仿真 。结果表明 , 该定位系统具有较好的定位精度 。 主题词 高空气球 同温层 定位系统 误差分析 1 引言 同温层也称平流层 , 指的是 8～50km 的高空 , 该区域温度基本上是常数 ( - 55 ℃) , 气流大体是 平稳的 。在同温层某一高度存在一个层流风为零的面 , 这个面随地点和季节有所变化 。同温层气球 平台工作于这一高度 , 较易实现稳定 。 2000 年 NASA 超长周期气球 (Ultra Long Duration Balloon) 的成功实验1 \ 大大拓宽了同温层气 〗, 球的应用领域 。例如在天文观测 、地球物理 、大气监测等方面的应用 。由于造价较低 、灵活以及具 有高空优势 , 其在通信 、导航定位 、监测等方面的应用研究也崭露头角 。无论哪种应用 , 都涉及到 同温层气球平台的定位问题 。 当前同温层气球平台的定位方式有 GPS 定位 、双星定位 、惯导定位等 。GPS 定位系统可以获得 较好的定位精度 , 但独立性和可靠性较差 。双星系统的用户个数有限 , 而且定位精度受高度测量精 度影响比较大 。纯惯导系统的定位精度随时间发散 。2002 年 1 月 , 韩国的 Chang Hee Won 提出了反 向定位系统 ( Inverse Positioning System , IPS) 的概念2 。该系统针对驻留型同温层气球的特点 , 由地面 接收机对高空发射机进行定位 , 构成独立自主的定位系统 。本文针对我国的实际情况 , 建立了 IPS 系统的定位模型 , 给出了地面站选址依据 , 并通过计算 、仿真得到了系统位置几何误差系数 ( Posi2 tion Dilution of Precision ,PDPO) 较理想的一组地面站分布 ; 研究了系统的主要误差源 , 并对系统进行 了仿真 , 结果表明系统具有良好的性能 , 是驻留型同温层气球平台的优选定位方式 , 有重要的应用 价值 。 收稿日期 : 2003207209 。收修改稿日期 : 2003209215 2 IPS 原理 (1) 基本原理 IPS 的基本原理如图 1 所示 。由同温层气球平台搭载定位 信号发射机 , 向四个位置已确知的地面站发射测距信号 。地 面站时钟与气球平台上的发射机时钟严格同步 。每个地面站 接收到气球平台发射的测距信号 , 测得从发射信号到接收信 号的时间差 。四个地面站分别测量出时间差后 , 将测得的时 间差信息传送给主控站 , 由主控站根据测得的时间差分别计 算出气球平台到四个地面站的伪距 , 再结合四个地面站的位 置来计算得出同温层气球平台的位置 。 (2) 系统定位模型 采用 WGS - 84 坐标系来进行系统的定位 。将状态 X 取为 图 1 反向定位系统原理图 [ x y z vx vy vzδl δlf ]T , 其中 , x , y , z 分别为同温层气球平台在 x 轴 、 y 轴 、z 轴上的坐标 ; vx , vy , vz 分别为其变化率 ; δl 为地面站与同温层气球平台时钟误差相应的距离 ; δlf 为其变化率 。根 vz 和δlf 都取为一阶马尔柯夫过程 ; τx , τy , τz , τf 为其相关 据同温层气球运动的特点 , vx , vy , 时间 , 如此可得系统的状态方程为 · X ( t) = F X ( t) + GW ( t) (1) 式中 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 - τx 03 ×5 I5 ×5 1 , W 为系统噪声 [ηv ,ηv ,ηv , wt , wf ]T , F = 0 0 0 0 0 0 0 , G = - τy 1 0 0 0 0 0 - 0 0