3sNews訊 以“實(shí)干 創(chuàng)新 共贏 發(fā)展——發(fā)展測(cè)繪地理信息，助推美麗中國(guó)建設(shè)”為主題的中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)第十次全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)暨2013年綜合學(xué)術(shù)年會(huì)2013年10月11日在北京京西賓館召開(kāi)。上午大會(huì)特邀報(bào)告邀請(qǐng)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(xué)地理空間信息學(xué)院教授、中國(guó)工程院院士。許老師的報(bào)告是GNSS單天線快速定向。

　　以下為許院士的報(bào)告文字實(shí)錄：

　　大家上午好!我給大家介紹的是GNSS單接收機(jī)快速、定向。GNSS就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)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(cè)定某個(gè)方向的方位角，比如從A點(diǎn)到B點(diǎn)的方向。定向歷來(lái)就是重要的議題之一。比如大的測(cè)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(guò)去測(cè)量大體方位角的方法是用天文測(cè)量，測(cè)出一個(gè)方位角的經(jīng)緯度，由經(jīng)緯度計(jì)算。

　　軍事需求：作為軍用來(lái)講同樣需要方位，包括定位，比如間接瞄準(zhǔn)武器(導(dǎo)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(dá)，雷達(dá)需要制造坐標(biāo)原點(diǎn)，就是定位。還有一個(gè)就是轉(zhuǎn)角，零度在哪兒，應(yīng)該是以正軌作為零度基準(zhǔn)。尤其信息融合的時(shí)候，沒(méi)有定向和定位更容易產(chǎn)生很多問(wèn)題，比如說(shuō)實(shí)際有過(guò)的情況，比如說(shuō)海上的偵查、空中的偵查，地面的遠(yuǎn)程偵查，大家都對(duì)某一個(gè)軍艦取得偵查的結(jié)果。結(jié)果經(jīng)過(guò)信息融合以后給出來(lái)的不是一個(gè)軍艦，而是一個(gè)艦隊(duì)，好幾艘軍艦，就是因?yàn)闀r(shí)空標(biāo)準(zhǔn)不一樣。時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在這里就是定位和定向。

　　作為軍用要求來(lái)講要求全天時(shí)、全天候并且快速。全天時(shí)就是一天24小時(shí)，全天候就是不管陰天下雨、刮風(fēng)晴天都可以，另外就是快速。這樣原來(lái)天文大地方法就不太適用了，比如說(shuō)全天時(shí)，經(jīng)典傳統(tǒng)的天文測(cè)量白天不太好用，另外陰天看不到星星和太陽(yáng)，就無(wú)法使用。過(guò)去有時(shí)候測(cè)一個(gè)天文點(diǎn)一個(gè)禮拜甚至半個(gè)月的時(shí)間，就是等天晴。當(dāng)然還有其他的方法，比如性導(dǎo)航系統(tǒng)，也可以給出定位和定向，但是一個(gè)是它價(jià)格比較昂貴，第二個(gè)是它有飄移，需初始標(biāo)定。用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時(shí)定位和定向，同時(shí)也可以全天時(shí)、全天候的進(jìn)行，也可以比較快速。本來(lái)是要求定位、定向兩個(gè)方面都要，但是定位是比較成熟的技術(shù)，因此，我們重點(diǎn)是要解決定向的問(wèn)題。衛(wèi)星定向是采用兩臺(tái)接收機(jī)，過(guò)去我們是這樣做的，利用兩臺(tái)接收機(jī)之間相對(duì)定位解算出點(diǎn)之間的方位角。這個(gè)可以全天候的進(jìn)行，這個(gè)項(xiàng)目我們是1987年開(kāi)始搞的，那時(shí)候是航天部二院有一批導(dǎo)彈要出口，要求能夠進(jìn)行定向和定位，當(dāng)時(shí)最早的方案是準(zhǔn)備冠導(dǎo)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)每臺(tái)設(shè)備上百萬(wàn)，所以當(dāng)時(shí)采用了衛(wèi)星的方面解決方位角的問(wèn)題。

　　隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)快速測(cè)定要求越來(lái)越高，那時(shí)候給我們提出的要求是一個(gè)小時(shí)之內(nèi)給他測(cè)出大體的方位角來(lái)，要求精度也比較高，2到5秒，那時(shí)候我們只做一個(gè)小時(shí)，做到1秒的精度。但是現(xiàn)在，更注重的是縮短發(fā)射的準(zhǔn)備時(shí)間，更重要的是要快速的測(cè)出來(lái)，因?yàn)檫@涉及到武器系統(tǒng)的生存條件問(wèn)題。現(xiàn)在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)就是這樣的，偵查到你要打的目標(biāo)，開(kāi)始要打了，但是對(duì)方也要偵查你，你如果要射擊準(zhǔn)備比如測(cè)定方位角，測(cè)定坐標(biāo)準(zhǔn)備時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)間，不等你準(zhǔn)備好發(fā)射出去，對(duì)方武器已經(jīng)打到你這兒來(lái)了，因此涉及到生命問(wèn)題，關(guān)系生存問(wèn)題。但是比如炮兵要求精度不高，過(guò)去導(dǎo)彈發(fā)射要求精度比較高，現(xiàn)在越來(lái)越不高了，因?yàn)楦懔酥兄笇?dǎo)和末指導(dǎo)，這樣對(duì)初始發(fā)射階段要求不高了。按炮兵要求是3分鐘的時(shí)間要測(cè)出來(lái)，但是對(duì)可靠性要求很好，不要把它測(cè)錯(cuò)了。萬(wàn)一錯(cuò)了，哪怕是萬(wàn)分之一，不像我們搞測(cè)量的，測(cè)完了一看超過(guò)三倍差可以刪掉，這個(gè)不行，因?yàn)闇y(cè)錯(cuò)了導(dǎo)彈打到別的國(guó)家會(huì)惹麻煩的。這不是玩笑。比如炮兵提出來(lái)3分鐘要完成定位和定向，定位沒(méi)有問(wèn)題，導(dǎo)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(duì)定位難于達(dá)到快速可靠的要求。我們搞測(cè)量的知道如果觀測(cè)量多了精度就可以提高了，如果提高采樣率，原來(lái)是1分鐘觀測(cè)一次，我現(xiàn)在一秒鐘觀測(cè)一次，這樣一分鐘可以觀測(cè)60次，精度必然會(huì)提高。傳統(tǒng)測(cè)量都有這個(gè)概念，但是這個(gè)概念對(duì)衛(wèi)星測(cè)向來(lái)講有問(wèn)題，增加觀測(cè)量以后，靠提高采樣頻率增加觀測(cè)量，時(shí)間短，同樣的觀測(cè)量，這個(gè)幾乎是沒(méi)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(wèn)題?甚至是一個(gè)無(wú)解的答案。雙機(jī)相對(duì)定位方程要解的參數(shù)一個(gè)是坐標(biāo)差，還有一個(gè)是模糊度，也叫模糊參數(shù)，衛(wèi)星測(cè)量測(cè)的結(jié)果只是把小數(shù)測(cè)的更準(zhǔn)確，整數(shù)不知道。未知數(shù)的系數(shù)是決定了這個(gè)解能不能更好?它基本的量是到衛(wèi)星的方向。這樣看問(wèn)題可能不是很清晰，測(cè)第一個(gè)衛(wèi)星組的時(shí)候，N在方程式里面，測(cè)第二顆衛(wèi)星的時(shí)候，第一顆衛(wèi)星模糊參數(shù)就不在里面了，也就是說(shuō)，要結(jié)算模糊參數(shù)，只對(duì)你所測(cè)的衛(wèi)星才有貢獻(xiàn)，其它的衛(wèi)星對(duì)這個(gè)是沒(méi)有貢獻(xiàn)的。

　　改變一下順順序，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，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(gè)設(shè)備只用一臺(tái)接收機(jī)，固定在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的臂上，旋臂旋轉(zhuǎn)，采樣的時(shí)候同步記錄轉(zhuǎn)的角度。觀測(cè)衛(wèi)星的同時(shí)記錄轉(zhuǎn)角在哪兒?解算是度盤(pán)零點(diǎn)的方位角。我們的度盤(pán)有個(gè)零，零是指向某一個(gè)方向的，要解算的就是度盤(pán)零點(diǎn)的方位角。一旦把零點(diǎn)方位角解算出來(lái)，那么設(shè)備瞄準(zhǔn)任意一個(gè)方向都可以從度盤(pán)上直接讀得它的方位角。(演示)接收機(jī)本來(lái)在一個(gè)旋臂上，轉(zhuǎn)不同的角度指向應(yīng)該是有不同的變化，接收機(jī)是正面，面板始終朝著一個(gè)方向，

　　四、工作原理

　　如果單個(gè)接收機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中觀測(cè)的時(shí)候我們可以建立一個(gè)觀測(cè)方程。(方程)就是不含零點(diǎn)的方位角，T1、T2、T3，是觀測(cè)過(guò)程中所記錄的轉(zhuǎn)角，系數(shù)包括旋臂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角的余弦函數(shù)因子。

　　五、實(shí)驗(yàn)

　　觀測(cè)時(shí)間2分46秒，采樣頻率每秒5次，數(shù)據(jù)處理時(shí)間5秒，定位精度是0.45密位，這個(gè)0.45密位的取得和傳統(tǒng)測(cè)定大體方位角進(jìn)行比較的。定位精度是3.5米，測(cè)試樣本數(shù)量167個(gè)，也就是測(cè)了167次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果是0.45密位。測(cè)試樣本數(shù)量一半是在廈門(mén)做的，一半是在鄭州做的。這是基本要求，原來(lái)要求3分鐘我們就測(cè)了3分鐘。

　　在此基礎(chǔ)上我們想能不能改變一下觀測(cè)時(shí)間，比如縮短觀測(cè)時(shí)間。某一個(gè)測(cè)段，測(cè)一次大概需要3分鐘左右的時(shí)間，包括五個(gè)雙周，如果只取第三個(gè)雙周統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)時(shí)間只有30秒，這樣看看它的精度如何?還有一個(gè)是加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。取三個(gè)相鄰測(cè)段，大概是8分鐘，看看它的精度如何?也就是說(shuō)如果要求精度可以加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，如果要求快速我可以縮短觀測(cè)時(shí)間。

　　我們按照標(biāo)準(zhǔn)3分鐘的時(shí)間，測(cè)段數(shù)167，精度密位0.45，如果縮短到33.4秒，進(jìn)行104次測(cè)試，它的精度是0.97密位，也符合炮兵一個(gè)密位的要求。如果加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段到8分18秒，測(cè)段只有43個(gè)，精度密位是0.25。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)情況，我們做一下估計(jì)，如果增加采樣頻率，可起到加長(zhǎng)時(shí)段的效果，可以提高精度，但是這只是估計(jì)的，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)。

　　六、技術(shù)特點(diǎn)

　　可以用于任何衛(wèi)星到很系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冊(cè)诜轿唤馑愕臅r(shí)候只用到了衛(wèi)星位置和載波相位觀測(cè)量，因此不管是GPS還是北斗都可以使用這種方法。

　　單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)快速定向

　　方程系數(shù)變化迅速，提高采樣率可以縮短觀測(cè)時(shí)間

　　單接收機(jī)比較經(jīng)濟(jì)、適用于大用戶群。設(shè)備主要成本在于接收機(jī)，如果用兩個(gè)接收機(jī)成本會(huì)大大提高。這是比較適合于大用戶群，比如炮兵。

　　解算度盤(pán)0點(diǎn)指向的方位

　　不解算兩點(diǎn)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(cè)。一臺(tái)設(shè)備可以解決多炮位的問(wèn)題，同時(shí)也節(jié)省時(shí)間。

　　這種方法可以消除天線相位中心的偏差。它是同一個(gè)天線指向是恒定的，相位中心就是衛(wèi)星測(cè)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(huì)造成很主要的誤差點(diǎn)，尤其是近距離的時(shí)候。這和什么有關(guān)?和衛(wèi)星的指向有關(guān)，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(gè)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(gè)類型的天線，指向也是恒定的。比如接收機(jī)包括天線始終保持同一個(gè)指向，這樣就可以消除天線相位中心的偏差。這點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)可以到2毫米左右(國(guó)產(chǎn))的，2毫米對(duì)于基線長(zhǎng)度是1米的，甚至可能帶里一兩個(gè)歷位的誤差。當(dāng)然可以做的更好，但是有一個(gè)問(wèn)題，我們現(xiàn)在用衛(wèi)星做軍事應(yīng)用最大的問(wèn)題就是抗干擾的問(wèn)題。威脅信號(hào)是很微弱的，一旦有展示行動(dòng)對(duì)方肯定會(huì)干擾，這時(shí)候就要用抗干擾天線解決問(wèn)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(shí)保證相位中心還保持穩(wěn)定。所以這對(duì)抗干擾天線來(lái)講，也就是說(shuō)它的相位中心誤差比較大的時(shí)候，效果比較明顯。

　　削弱多路徑影響。

　　設(shè)備無(wú)需精確整平。整平也很費(fèi)時(shí)間，又要對(duì)中、又要整個(gè)平均，這個(gè)既不對(duì)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(lái)。

　　七、有待改進(jìn)

　　這個(gè)工作現(xiàn)在還沒(méi)有完全做完，我們覺(jué)得有些地方還需要進(jìn)一步做工作。一個(gè)是結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。一個(gè)懸臂圖看起來(lái)還是可以的，但是把這個(gè)設(shè)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(guó)產(chǎn)雙系統(tǒng)接收機(jī)：需要相應(yīng)軟件的改進(jìn)。因?yàn)槲覀儎偛抛龅哪切?shí)驗(yàn)都是用GPS做的，那時(shí)候還沒(méi)有北斗，現(xiàn)在有條件了，我們也要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

　　位置、方位信息的傳遞。很簡(jiǎn)便的利用電子或者是光學(xué)的，通過(guò)通訊手段解決，不用跑來(lái)跑去。

　　典型用戶試用：比如說(shuō)炮兵、雷達(dá)，先用用看有什么需要改進(jìn)的地方。

　　謝謝大家!　　　

　　(此為報(bào)告人現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言速記記錄，未經(jīng)報(bào)告人本人審核。)