CN111044968A - 机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法，本发明基于差分定向定位仪，通过结构设计和测试原理推导，实现了搜寻定位终端的测向精度与作用距离的同步测量；同时可测量机载搜寻定位终端的动态性能，提高了测向精度测量的准确性，使测量误差小于1°；同时，可模拟和测试设备在飞机俯仰、横滚等姿态下的工作性能，以及自动换算设备天线在机腹、机背不同安装位置的测试结果，为机载搜寻终端在科研、装机前的地面模拟试验提供了可靠有效的验证方法，可有效缩短产品研制周期；通过地面模拟使用场景，及早发现和解决装备潜在的使用问题，提高飞行试验通过率。

Description

机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，尤其涉及机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法，用于精确测量机载搜寻定位终端设备在室外环境的测向精度和作用距离。

背景技术

机载搜寻定位终端是一种通过测量目标发射的来波信号，主要用于空-地/空-海搜救、空-地辅助归航、空-空会合引导的机载导航设备，一般工作在超短波频段。现役的机载搜寻定位终端主要包括机载救生电台和超短波定向仪。为了测量设备的主要技术性能(测向精度、作用距离)，需要一种可靠的试验方法和试验装置。目前，为了完成对机载搜寻定位终端的测向精度和作用距离的测试，主要包括以下三种方法：

一种是采用内场检测仪，通过对称天线近场辐射考核其测向精度，该方法无法考核设备的作用距离，且不能模拟实际使用场景、反映外场实际使用效果，如电磁环境、测向高度差等环境条件影响。

第二种方法是通过安装有待测设备天线的机械转台，对视距范围内的发射源进行测向，通过设备调试接口观察测向结果，对设备进行功能性检查，该方法无法对设备进行性能和拉距检查。

最后一种方法是外场采用手持式GPS定位仪、磁罗盘设备分别获得离散的静态测试点与目标点的经纬度位置信息、航向角等，通过人工计算获得理论方位和距离并与设备测量值进行比较，该方法无法测量设备的动态性能，且采集位置与航向信息的仪器误差较大，不能准确反映设备的性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法，本发明基于差分GPS定向定位仪，通过结构设计和测试原理推导，实现了搜寻定位终端的测向精度与作用距离的同步测量；同时可测量机载搜寻定位终端的动态性能，提高了测向精度测量的准确性，使测量误差小于1°。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

(一)机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，包括

支撑架，所述支撑架的上端具有支撑平台，所述支撑平台上固定有轴承座，所述轴承座上配合有轴承，所述轴承内竖直设置转轴，所述转轴上端铰接有安装盘，所述安装盘上安装有待测设备天线；所述安装盘与转轴之间设置有俯仰角调节机构；

当待测设备天线为类圆形天线时，所述待测设备天线设置于所述安装盘的中心，所述第一GPS天线和第二GPS天线在安装盘的直径方向上对称设置于待测设备天线两侧；

当待测设备天线为刀形天线时，一对刀形天线相对于安装盘的直径方向对称设置，所述第一GPS天线和第二GPS天线相对于该对刀形天线的相位中心连线的中点对称设置；

差分定向定位仪，用于测量待测设备天线当前的位置信息和航向信息、目标相对待测设备天线航向的理论方位角，待测设备天线的相位中心和目标的位置信息；

其中，待测设备天线即为机载搜寻定位终端，所述位置信息为经度和纬度信息，待测设备天线的0°指向第一GPS天线；所述类圆形天线为柱形天线阵或环形腔体天线。

进一步地，所述俯仰调节机构包含卡片和多档位卡齿，所述卡片与转轴铰接，所述多档位卡齿与安装盘底面固定连接，所述卡片与多档位卡齿相配合，用于调节并固定待测设备天线的俯仰角。

进一步地，所述第一GPS天线的相位中心与第二GPS天线的相位中心之间的距离大于1.2m。

进一步地，当待测设备天线为类圆形天线时，所述安转盘的中心开设有圆孔，所述圆孔处匹配安装有凹盆，所述凹盆内安装待测设备天线。

更进一步地，所述凹盆的底面与转轴铰接。

进一步地，所述安装盘的边缘处为合页。

进一步地，所述支撑架为三角支撑架。

进一步地，所述支撑架为四角支撑架，所述四角支撑架的每个支撑杆上设置有安装螺孔。

进一步地，所述差分定向定位仪为差分GPS定向定位仪、差分北斗定向定位仪或差分GPS/北斗双频定向定位仪。

进一步地，所述差分定向定位仪通过RS232串口连接有上位机。

(二)机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过差分定向定位仪获取待测设备天线的相位中心线与相位中心所在的地球经线的顺时针夹角α；

其中，所述夹角α为相对地北的夹角；

步骤2，通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息；获取目标、相位中心的连线与相位中心所在经线相对地北的夹角β；

其中，目标的位置信息为目标的经纬度；

步骤3，计算目标相对载机航向的理论方位γ为：

γ＝β-α+360°(β＜α)，

γ＝β-α(β＞α)；

其中，α、β、γ的取值范围分别为(0～359°)，待测设备天线安装时，其天线0°指向第一GPS天线、180°指向第二GPS天线；

步骤4，待测设备天线测得目标相对载机的实测方位；

步骤5，计算目标相对载机航向的理论方位γ与待测设备天线测得目标相对载机的实测方位之差，即为待测设备天线的测向误差；通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息，即可得到待测设备天线的作用距离。

步骤6，通过连续转动天线安装盘，控制相对方位的变化量和变化速度，从而完成目标相对载机在360°范围内的连续测向；

步骤7，通过俯仰角调节机构模拟飞机俯仰角变化，重复步骤1-6，得到不同载机俯仰角下的测向精度与作用距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明基于差分定向定位仪，通过结构设计和测试原理推导，实现了搜寻定位终端的测向精度与作用距离的同步测量；同时可测量机载搜寻定位终端的动态性能，提高了测向精度测量的准确性，使测量误差小于1°。

(2)本发明有效解决了在外场环境下，无法准确、同步、动态地测量机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的难题，并可模拟和测试设备在飞机俯仰、横滚等姿态下的工作性能，以及自动换算设备天线在机腹、机背不同安装位置的测试结果，为机载搜寻终端在科研、装机前的地面模拟试验提供了可靠有效的验证方法，可有效缩短产品研制周期；通过地面模拟使用场景，及早发现和解决装备潜在的使用问题，提高飞行试验通过率。

(3)该测量装置操作步骤简捷，所需的试验工装和仪器常规且种类少，试验结果显示直观、实时性好，并且可同步存储和记录试验数据，便于试验后进一步分析。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明实施例中测试装置三维图；

图2是图1的俯视三维图；

图3是图2安装类圆形天线后的三维图；

图4是图2安装刀形天线后的三维图；

图5是本发明另一种实施例中测试装置三维图；

图6是图5安装类圆形天线后的俯视三维图；

图7是图5安装刀形天线后的俯视三维图；

图8是本发明实施例中测试装置连接示意图；

图9是本发明实施例中测试装置的测试原理图；

图10是上位机的显示界面示意图。

以上图中，1支撑架；101支撑平台；2差分定向定位仪；3轴承座；4转轴；5安装盘；6待测设备天线；601类圆形天线；602刀形天线；7第一GPS天线；8第二GPS天线；9俯仰角调节机构；901卡片；902多档位卡齿；10凹盆；11合页。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

实施例1

参考图1-8，机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置及方法，包括支撑架1和差分定向定位仪2，所述支撑架1的上端具有支撑平台101，所述支撑平台101上固定有轴承座3，所述轴承座3上配合有轴承，所述轴承内竖直设置转轴4，所述转轴4上端铰接有安装盘5，所述安装盘5上安装有待测设备天线6；所述安装盘5与转轴4之间设置有俯仰角调节机构9；

当待测设备天线6为类圆形天线601时，所述待测设备天线6设置于所述安装盘5的中心，所述第一GPS天线7和第二GPS天线8在安装盘5的直径方向上对称设置于待测设备天线6两侧；如图3和图6所示，当待测设备天线6为刀形天线602时，一对刀形天线602相对于安装盘5的直径方向对称设置，所述第一GPS天线7和第二GPS天线8相对于该对刀形天线602的相位中心连线的中点处对称设置；差分定向定位仪2，用于测量待测设备天线6当前的位置信息和航向信息、目标相对待测设备天线6航向的理论方位角，待测设备天线6的相位中心和目标的位置信息。

以上实施例中，支撑架1和支撑平台101用于保证测量装置的稳定性，轴承座3上配合有轴承，所述轴承内竖直设置转轴4，所述转轴4上端铰接有安装盘5，所述安装盘5上安装有待测设备天线6，转轴4转动带动安装盘5转动，进而使其上的各天线进行水平转动；转轴4上端铰接有安装盘5，安装盘5与转轴4之间设置有俯仰角调节机构9，通过俯仰角调节机构9调节安装盘5的俯仰角，进而改变待测设备天线6的俯仰角，以模拟飞机在不同俯仰角姿态下的情况进行测试。

如图3和图6所示，当待测设备天线6为类圆形天线601时，所述待测设备天线6设置于所述安装盘5的中心，所述第一GPS天线7和第二GPS天线8在安装盘5的直径方向上对称设置于待测设备天线6两侧；如图4和图7所示，当待测设备天线6为刀形天线602时，一对刀形天线602相对于安装盘5的直径方向对称设置，所述第一GPS天线7和第二GPS天线8相对于该对刀形天线602的相位中心连线的中点处对称设置；差分定向定位仪2通过天线接口接收第一GPS天线7和第二GPS天线8的位置和方位信息。通过计算可获取待测设备天线6当前的位置信息和航向信息、目标相对待测设备天线6航向的理论方位角，待测设备天线6的相位中心和目标的位置信息。

差分定向定位仪为差分GPS定向定位仪、差分北斗定向定位仪或差分GPS/北斗双频定向定位仪；类圆形天线为柱形天线阵或环形腔体天线。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述俯仰调节机构包含卡片901和多档位卡齿902，所述卡片901与转轴4铰接，所述多档位卡齿902与安装盘5底面固定连接，所述卡片901与多档位卡齿902相配合，用于调节并固定安装盘5的俯仰角。

以上实施例中，通过卡片901上的固定端卡接入多档位卡齿902的不同档位，在转轴4与安转盘底面之间形成不同长度的连接弧，从而调节安装盘5及其上待测设备天线6的俯仰角，进而可模拟测试设备在飞机不同俯仰姿态下的测试性能。

参考图2-7，根据本发明的一个实施例，所述第一GPS天线7的相位中心与第二GPS天线8的相位中心之间的距离不小于1.2m。

以上实施例中，第一GPS天线7的相位中心与第二GPS天线8的相位中心之间的距离为基线长度R，而差分GPS定向定位仪2的理论定向精度为2/R，因此，该距离范围的设置能够确保装置的测向精度，根据实际安装条件(试验车辆宽度)和安装操作的便捷性，一般确定基线长度为1.5m。

参考图1-2，根据本发明的一个实施例，当待测设备天线6为类圆形天线601时，所述安转盘的中心开设有圆孔，所述圆孔处匹配安装有凹盆10，所述凹盆10内安装待测设备天线6；所述凹盆10的底面与转轴4铰接。

以上实施例中，凹盆10的设置，能够使本装置适用于类圆形的不同类型的机载搜寻定位终端天线，如柱形天线阵、环形腔体天线等类圆形天线便于安装。对于刀形天线，可通过快卸螺钉直接安装于安装盘5上。

参考图1-2，根据本发明的一个实施例，所述安装盘5的边缘处为合页11。

以上实施例中，安装盘5的边缘处为合页11便于折叠后进行携带。

参考图3，根据本发明的一个实施例，所述支撑架1为三角支撑架1。

以上实施例中，支撑架1为三角支撑架1，便于在近场、高点或静止状态下进行试验，只需将三角支撑架1支撑于地面上即可进行测量，便于便携和移动。

参考图1-2，根据本发明的一个实施例，所述支撑架1为四角支撑架1，所述四角支撑架1的每个支撑杆上设置有安装螺孔。

以上实施例中，便于通过螺栓穿过安装螺孔使本装置安装于中型多用途通信试验车顶部，依托试验车自备的电源，可为仪器、设备提供稳定电源，在车辆静止或行驶状态下均可完成测量试验。

参考图8，根据本发明的一个实施例，所述差分定向定位仪2通过RS232串口连接有上位机。

以上实施例中，上位机用以完成相关测试信息的实时显示、存储和工作状态控制。上位机主要功能包括完成定位和定向结果显示、理论相对方位和作用距离的解算、设备的测试结果和测试误差计算、测试数据记录等。其显控功能界面如图10所示。

上位机通过与差分定向定位仪2的232串口，接收并显示载机当前的位置信息、航向信息。当向上位机输入目标位置信息时，即可自动计算并显示目标的地理方位、目标相对载机的理论方位、目标与载机的距离；

上位机通过与待测设备主机的232串口，接收并显示设备实测方位，以及完成对设备的工作模式等操作控制；

上位机通过同步比较和计算上述理论方位与实测方位，即可获得待测设备天线6的测向误差。

采用本发明装置进行外场测试试验，天线转台的安装盘采用厚度1mm的成品铝板裁剪加工而成，转轴、安装底座均采用铝块加工中心完成。根据北斗/GPS天线和待测设备的天线外形尺寸和安装方式对天线安装盘进行开孔。

本装置所述的天线转台的具体外形、尺寸、紧固方式不局限于所示的外观和尺寸，可以是相同工作方式的其他形式。

实施例2

参考图8-9，对于某一发射源，即目标来讲，本发明的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过差分定向定位仪获取待测设备天线的相位中心线与相位中心所在的地球经线的顺时针夹角α；

其中，所述夹角α为相对地北的夹角；

步骤2，通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息；获取目标、相位中心的连线与相位中心所在经线相对地北的夹角β；

其中，目标的位置信息为目标的经纬度；

步骤3，计算目标相对载机航向的理论方位γ为：

γ＝β-α+360°(β＜α)，

γ＝β-α(β＞α)；

其中，α、β、γ的取值范围分别为(0～359°)，待测设备天线安装时，其天线0°指向第一GPS天线、180°指向第二GPS天线8；

步骤4，待测设备天线测得目标相对载机的实测方位；

步骤5，计算目标相对载机航向的理论方位γ与待测设备天线测得目标相对载机的实测方位之差，即为待测设备天线的测向误差；通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息，即可得到待测设备天线的作用距离。

步骤6，通过连续转动天线安装盘，控制相对方位的变化量和变化速度，从而完成目标相对载机在360°范围内的连续测向；

步骤7，通过俯仰角调节机构模拟飞机俯仰角变化，重复步骤1-5，得到不同载机俯仰角下的测向精度与作用距离。

对于本测试装置，根据待测设备天线6的天线安装位置(机背或机腹)，选择上天线或下天线，对测试结果进行换算，从而模拟装机环境下的测试条件。

具体换算过程如下：

(1)方位计算

a)γ＝Atan2[cos(lat1)×sin(lat2)-sin(lat1)×cos(lat2)×cos(lon2-lon1)，sin(lon2-lon1)×cos(lat2)]；

其中，γ为弧度制，Atan2为四象限反正切函数，(lat1，lon1)、(lat2，lon2)分别为待测设备天线和目标的位置信息(弧度制)，即经度和纬度信息；

b)用DEGREE弧度转换函数将γ转换为角度制，转换后γ∈(-180°，180°)；

c)用MOD取余函数将γ转换为0～359°取值范围内，即γ＝MOD(γ+360°，360°)。

(2)作用距离计算

D＝arcos[sin(lat1)×sin(lat2)+cos(lat1)×cos(lat2)×cos(lon2-lon1)]×6371，其中，D单位为km。

以下给出本发明测试装置的一个具体实施例：

如图1所示，安装盘5为直径1500mm厚1.5mm的铝板，重约14kg。从距安装盘5边缘350mm处切割掉边缘部分，加装同尺寸合页11，用以折叠，方便搬运；安装盘5直径方向固定安装GPS天线2个；中空部分用于安装待测设备天线6。安装盘5设计有平面开孔和下沉式凹盆10，以满足不同种类天线的安装需求。

安装盘5底部配装安装支架，重约2.5kg，与直径1500mm安装盘5以螺钉连接，安装支架底部连接转轴4，重约2.2kg；转轴4与安装盘5铰接。

俯仰角调节机构用于控制安装盘5的俯仰角，以模拟飞机俯仰角变化。可手动调节，也可采用步进电机进行精确调节，调节范围0°～20°。安装盘5采用铝板裁剪加工而成，转轴4、安装底座均采用铝块由加工中心完成，无复杂、异形零部件，可生产线好。根据待测设备的天线外形和安装方式对天线安装盘5进行开孔。

本发明支撑架1可根据试验车辆的安装条件进行改进。

采用本发明装置在城郊结合区对某型超短波定位仪进行了性能测试。陪试设备为手持式救生电台(发射源)，待测设备为某型超短波定向仪，陪试设备与测试点海拔高度差60m，距离22km，测试频点245.5MHz，试验装置架设于车顶。经测试，分别按照车辆静止情况下旋转天线盘、车辆动态曲线行驶等方式改变相对方位，通过显控软件可实时读取目标当前理论方位、距离和超短波定向仪测得方位及其测向误差，并可实时记录测量数据，实现了预期试验目标，达到了试验目的。

本装置的使用方法：

本发明装置的工作过程：

(a)按照图8所示连接测试装置，确认待测设备天线6“零度”指向第一GPS天线7。

(b)打开差分定向定位设备，连接数据通信接口至上位机，开机等待约1min，

(c)确认测试界面已获得当前位置经纬度信息、航向角信息；

(d)通过上位机的显控计算机输入目标点的经纬度信息，自动计算当前距离；通过显控计算机设置待测设备的工作参数；

(e)通过显控界面读取测向结果，测量设备的静态性能指标，可直接读取测向精度；

(f)确认静态工作状态正常后，通过手动或电机控制安装盘5转动，即改变目标的相对方位，通过显控计算机观察方位跟踪变化情况和实时的测向精度；

(g)调节安装盘5倾斜度模拟飞机俯仰或横滚姿态，测试设备在不同姿态下的工作性能；

测试人员可以根据需要下载保存测试数据，以做进一步分析。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，包括：

支撑架，所述支撑架的上端具有支撑平台，所述支撑平台上固定有轴承座，所述轴承座上配合有轴承，所述轴承内竖直设置转轴，所述转轴上端铰接有安装盘，所述安装盘上安装有待测设备天线；所述安装盘与转轴之间设置有俯仰角调节机构；

当待测设备天线为类圆形天线时，所述待测设备天线设置于所述安装盘的中心，所述第一GPS天线和第二GPS天线在安装盘的直径方向上对称设置于待测设备天线两侧；

当待测设备天线为刀形天线时，一对刀形天线相对于安装盘的直径方向对称设置，所述第一GPS天线和第二GPS天线相对于该对刀形天线的相位中心连线的中点对称设置；

差分定向定位仪，用于测量待测设备天线当前的位置信息和航向信息、目标相对待测设备天线航向的理论方位角，待测设备天线的相位中心和目标的位置信息；

其中，待测设备天线即为机载搜寻定位终端，所述位置信息为经度和纬度信息，待测设备天线的0°指向第一GPS天线；所述类圆形天线为柱形天线阵或环形腔体天线。

2.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述俯仰调节机构包含卡片和多档位卡齿，所述卡片与转轴铰接，所述多档位卡齿与安装盘底面固定连接，所述卡片与多档位卡齿相配合，用于调节并固定待测设备天线的俯仰角。

3.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述第一GPS天线的相位中心与第二GPS天线的相位中心之间的距离大于1.2m。

4.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，当待测设备天线为类圆形天线时，所述安转盘的中心开设有圆孔，所述圆孔处匹配安装有凹盆，所述凹盆内安装待测设备天线。

5.根据权利要求4所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述凹盆的底面与转轴铰接。

6.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述安装盘的边缘处为合页。

7.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述支撑架为三角支撑架。

8.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述支撑架为四角支撑架，所述四角支撑架的每个支撑杆上设置有安装螺孔。

9.根据权利要求1所述的机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量装置，其特征在于，所述差分定向定位仪通过RS232串口连接有上位机。

10.机载搜寻定位终端测向精度与作用距离的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过差分定向定位仪获取待测设备天线的相位中心线与相位中心所在的地球经线的顺时针夹角α；

其中，所述夹角α为相对地北的夹角；

步骤2，通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息；获取目标、相位中心的连线与相位中心所在经线相对地北的夹角β；

其中，目标的位置信息为目标的经纬度；

步骤3，计算目标相对载机航向的理论方位γ为：

γ＝β-α+360°(β＜α)，

γ＝β-α(β＞α)；

其中，α、β、γ的取值范围分别为(0～359°)，待测设备天线安装时，其天线0°指向第一GPS天线、180°指向第二GPS天线；

步骤4，待测设备天线测得目标相对载机的实测方位；

步骤5，计算目标相对载机航向的理论方位γ与待测设备天线测得目标相对载机的实测方位之差，即为待测设备天线的测向误差；通过待测设备天线的相位中心和目标的位置信息，即可得到待测设备天线的作用距离；

步骤6，通过连续转动天线安装盘，控制相对方位的变化量和变化速度，从而完成目标相对载机在360°范围内的连续测向；

步骤7，通过俯仰角调节机构模拟飞机俯仰角变化，重复步骤1-6，得到不同载机俯仰角下的测向精度与作用距离。

Images