無(wú)GPS與BDS衛(wèi)星導(dǎo)航條件下空降兵集結(jié)定位技術(shù)研究

靳曉蕾 王洪源 何婉昀

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7203

摘? 要：在空降作戰(zhàn)中，快速集結(jié)是部隊(duì)的一項(xiàng)重要能力，能大幅提高隊(duì)伍的生存率和戰(zhàn)斗力。GPS在戰(zhàn)斗中易受干擾無(wú)法使用。本文在禁用GPS的條件下，針對(duì)快速集結(jié)中的快速定位問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款結(jié)合無(wú)線(xiàn)電測(cè)向、激光測(cè)距的電子羅盤(pán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用HMC5883L三軸磁阻傳感器測(cè)量載體三個(gè)軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用MPU6050加速度傳感器在羅盤(pán)傾斜的情況下計(jì)算姿態(tài)角對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，得到方位角。利用激光測(cè)距測(cè)得行走距離，通過(guò)三角定位的方法，計(jì)算出目標(biāo)信號(hào)源的具體位置，達(dá)到快速集結(jié)的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)電測(cè)向? 電子羅盤(pán)? 磁力計(jì)? 加速度計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0069-03

Research on the Positioning Technology of Airborne Soldiers Aggregation under the Condition of Non-GPS/BDS Satellite Navigation

JIN Xiaolei? WANG Hongyuan*? HE Wanyun

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning Province，110159? China）

Abstract： In airborne operations， rapid assembly is an important capability of troops， which can greatly improve the survival rate and combat effectiveness of troops. GPS is easily disturbed in battle and cannot be used. In this paper， an electronic compass system combining radio direction finding and laser ranging is designed under the condition of disabling GPS. The system uses hmc5883l three-axis magnetoresistive sensor to measure the magnetic field strength of the three axes of the carrier， and mpu6050 acceleration sensor to calculate the attitude angle when the compass is tilted to compensate the measured value， get the azimuth. The walking distance is measured by laser ranging， and the specific position of the target signal source is calculated by triangulation， so as to achieve the purpose of rapid assembly.

Key Words： Radio direction finding;? Electronic compass; Magnetometer; Accelerometer

空降兵的作戰(zhàn)方式是空降到戰(zhàn)場(chǎng)，高機(jī)動(dòng)性是空降兵的特點(diǎn)之一。由于空降兵跳傘后，空投物資和人員著陸位置分散，散布范圍非常廣，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套快速搜尋物資并快速集結(jié)的系統(tǒng)是必要的。國(guó)外的集結(jié)定位設(shè)備完全依賴(lài)GPS，GPS在戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下易受干擾，因此需要開(kāi)發(fā)出GPS停用時(shí)的應(yīng)急替代設(shè)備?，F(xiàn)有的單值無(wú)線(xiàn)電測(cè)向設(shè)備，只能探測(cè)無(wú)線(xiàn)電信標(biāo)的方向，無(wú)法測(cè)量距離，在實(shí)際作戰(zhàn)中需要配合地圖與指南針使用，非常不方便。

本文將MEMS傳感器、電子羅盤(pán)、激光測(cè)距與RSSI技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種不依靠衛(wèi)星定位的自動(dòng)化測(cè)向系統(tǒng)，解決了空降兵跳傘著陸后快速集結(jié)這一難題。

1? 無(wú)線(xiàn)電測(cè)向的三角定位原理

無(wú)線(xiàn)電測(cè)向是利用測(cè)向設(shè)備確定無(wú)線(xiàn)電波的來(lái)波方向，以測(cè)出目標(biāo)信號(hào)源的方位，這種測(cè)向設(shè)備稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電測(cè)向機(jī)[1]。無(wú)線(xiàn)電定位在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定了目標(biāo)信號(hào)源的具體位置。

理論上，測(cè)出兩個(gè)不同測(cè)向點(diǎn)的目標(biāo)方位，連接2個(gè)測(cè)向點(diǎn)與目標(biāo)信號(hào)源作出兩條直線(xiàn)，已知2個(gè)測(cè)向點(diǎn)之間的距離，即可得到第二次測(cè)向點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)信號(hào)源的距離[2]。利用構(gòu)建直角坐標(biāo)系的方法，坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)為第一次測(cè)向點(diǎn)，y軸為地磁北極方向，x軸為磁北方向垂直向右方向。

在坐標(biāo)原點(diǎn)O處，將目標(biāo)信號(hào)源設(shè)為點(diǎn)A，在點(diǎn)O處測(cè)量點(diǎn)A的方位角a。沿著y軸方向行走一段距離h到達(dá)第二次測(cè)向點(diǎn)B，在點(diǎn)B處測(cè)量點(diǎn)A的方位角b，連接2個(gè)測(cè)向點(diǎn)與目標(biāo)信號(hào)源，如圖1所示。

根據(jù)正弦定理，即可得到目標(biāo)信號(hào)源在測(cè)向點(diǎn)B的方位角為b、距離為處。

2? 基于MEMS的自動(dòng)化定位技術(shù)

本研究采用MEMS加速度傳感器+電子羅盤(pán)+激光測(cè)距+RSSI集成技術(shù)。

2.1 RSSI

RSSI指接收信號(hào)的強(qiáng)度指示。無(wú)線(xiàn)電測(cè)向發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率一定的情況下，隨著距離增加，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越弱，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定目標(biāo)信號(hào)源的方向與距離[3]。

2.2 電子羅盤(pán)

電子羅盤(pán)通過(guò)測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量計(jì)算方位角。電子羅盤(pán)水平放置時(shí)，x軸是載體前進(jìn)方向，y軸垂直于x軸向右，兩軸處于同一平面，z軸沿重力方向向下，載體坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系重合[4]。

2.3 MEMS加速度傳感器與電子羅盤(pán)結(jié)合

在空降作戰(zhàn)中，落點(diǎn)是隨機(jī)的，無(wú)法保證羅盤(pán)保持水平，此時(shí)需要使用加速度傳感器計(jì)算姿態(tài)角對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。姿態(tài)角是載體的傾斜程度，由俯仰角和橫滾角構(gòu)成，當(dāng)羅盤(pán)傾斜時(shí)，載體由水平面沿x軸旋轉(zhuǎn)的角度為橫滾角θ，載體沿y軸與水平面的旋轉(zhuǎn)角度為俯仰角φ[5]。如圖2所示。

羅盤(pán)傾斜時(shí)載體坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系不重合，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，計(jì)算出地球磁場(chǎng)在x、y、z3個(gè)軸上水平分量Xh、Yh、Zh，如圖3所示。

通過(guò)加速度計(jì)測(cè)得重力加速度g在載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸上的分量分別是Xg，Yg，Zg，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算橫滾角θ與俯仰角φ，如下所示。

磁傳感器測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度在三軸上的分量分別為Hx、Hy、Hz，則羅盤(pán)傾斜時(shí)水平方向的磁分量Xh、Yh，如下所示。

則地磁航向角在整個(gè)象限內(nèi)的表達(dá)式如下。

磁偏角是地磁南北極與地理南北極的夾角，且磁偏角受緯度影響。本文只需確定發(fā)射臺(tái)的具體位置，因此不用考慮磁偏角，只需測(cè)得地磁航向角即可。

2.4 激光測(cè)距

激光測(cè)距選擇手持紅外激光測(cè)距儀，這種儀器小巧便攜，采用相位式光學(xué)系統(tǒng)，量程為0.2～120m，測(cè)距精度較高[6]。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用HMC5883L和MPU6050共用I2C總線(xiàn)的方式與Arduino Mega 2560控制板相連，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

Arduino Mega 2560控制板負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，顯示模塊利用Processing軟件編寫(xiě)的界面，將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并發(fā)送至PC機(jī)，通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)直觀(guān)的顯示出來(lái)，如圖5所示。

3? 實(shí)驗(yàn)研究

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以描述為：空降兵跳傘后，在落點(diǎn)A處通過(guò)無(wú)線(xiàn)電測(cè)向機(jī)與電子羅盤(pán)分別得到目標(biāo)信號(hào)源X與Y的方位角β1、β2。此時(shí)空降兵朝磁北方向行走h(yuǎn)米到達(dá)點(diǎn)第二個(gè)測(cè)向點(diǎn)B，在落點(diǎn)B處通過(guò)無(wú)線(xiàn)電測(cè)向機(jī)分別得到目標(biāo)信號(hào)源X與Y的方位角β3、β4，如圖6所示。

根據(jù)正弦定理，可以分別得到測(cè)向點(diǎn)B到目標(biāo)信號(hào)源X和目標(biāo)信號(hào)源Y的距離，，。

4? ?結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)空降兵快速集結(jié)問(wèn)題設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)電測(cè)向與電子羅盤(pán)相結(jié)合的測(cè)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電測(cè)向探測(cè)目標(biāo)信號(hào)源的方位，使用HMC5883L磁阻傳感器和MPU6050加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)Arduino控制板對(duì)數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算地磁航向角，用激光測(cè)距儀測(cè)量行走距離，通過(guò)三角定位的方法，最終確定發(fā)射機(jī)位置。

參考文獻(xiàn)

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[2] 郭永寧.基于多旋翼無(wú)人機(jī)的低空無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)研究[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2020.

[3] 王凱.無(wú)線(xiàn)電測(cè)向定位方法在新型無(wú)線(xiàn)電干擾查找中的運(yùn)用研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2019.

[4] 高俊.基于磁阻傳感器的高精度電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心），2018.

[5] 陳敏.基于各向異性磁電阻的高精度電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)研究[D].北京：電子科技大學(xué)，2019.

[6] 吳奇軒.高精度激光相位測(cè)距系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2020.