系统精度

2024-08-05

系统精度(精选十篇)

系统精度 篇1

1 主要影响因素

影响红外探测系统目标指示精度的因素有很多,其中红外探测系统自身的角度误差、设备装调误差、平台调平误差、位置不同引入的误差和数据输出速率引入的误差是主要因素[3].

1.1 红外探测系统自身的角度误差

地面红外探测系统为了实现大视场、全方位的探测,通常采用红外阵列探测器在方位和俯仰方向上瞬时覆盖一定角度,并按某种方式进行空间扫描.其探测方位角度和俯仰角度是由探测器的当前扫描位置读数和红外目标在探测器上的成像位置经过运算得出的.红外探测系统自身的角度误差包括方位和俯仰2个方向的误差,主要决定于扫描系统的定位精度、光学系统的像差、探测器的分辨率和驰豫时间等.

1.2 设备装调误差

地面红外探测系统通常都要装配到某一种平台之上,为实现给系统内不在一个平台的其他单元指示目标位置的使命,还需提供目标的绝对方位,这就要与寻北仪等寻北装置配合使用.因此设备装调误差有2种:一是红外探测系统标准方向与平台寻北装置的标准方向之间的方向误差δN;二是与平台水平装调误差.

1.3 平台调平误差

为了保证地面红外探测系统目标指示的精度,需要对平台进行水平调节,俗称调平.调平设备有电子调平和手动调平之分.平台所能达到的调平精度取决于调平设备自身的调平精度,这部分误差可由水平仪直接读出.通常该误差分为标准方向和垂直于标准方向2个方向误差.

设备装调误差和平台调平误差可统一由图1来表示.图1中O点为红外探测系统,N为真北方向,A点为探测时刻T1目标所在位置,Σ0表示水平面,Σ1为设备基准面,σ为平面Σ0与平面Σ1的夹角,ρ为平面Σ0与平面Σ1交线方向与真北方向的夹角.

1.4 位置不同引入的误差

地面红外探测系统与系统内其他单元不在同一个平台上或者在同一个平台上的不同位置,直接使用红外探测系统的方位和俯仰角来做跟踪和瞄准就会引入目标指示误差,位置不同而引入的误差如图2所示.

1.5 数据输出速率引入的误差

地面红外探测系统在一个搜索周期内发送有限次数的探测数据,这个发送频率就是数据输出速率.

引入数据输出周期T这个概念,则数据输出周期应为数据输出速率f的倒数.数据输出的时刻通常情况下比目标在探测器上出现的时刻要延迟一段时间,若将数据输出的时刻作为目标在探测器上出现的时刻便会影响到地面红外探测系统的目标指示精度.由数据输出速率而引起的误差如图3所示.图3中O点为红外探测系统,N为北方向,A点为探测时刻T1目标所在位置,B点为数据输出时刻T2目标所在位置,H为目标的高度,V为目标的速度,J为航路捷径,ψ为目标的飞行方向,f为告警数据输出速率,φ为方位角,θ为俯仰角.

2 地面红外探测系统目标指示精度的误差分析

红外探测系统自身的角度误差主要决定于扫描系统的定位精度、光学系统的像差、探测器的分辨率和驰豫时间等,选取合适的器件即可有效降低该误差,一般误差都小于10-2.

地面红外探测系统的装调误差受加装工艺水平限制,现有数控磨床的加工工件精度可达到3‰ mm[2].平台调平精度在战术使用时是有要求,最差不能低于战术要求的数值,调平可达到的最好水平为水平仪的最低刻度.

为了从量的层面上认识水平误差对目标指示精度的影响,考虑目标和红外探测系统连线垂直于水平面与设备基准面交线这种特殊情况,因为此时俯仰角误差为最大值.假设夹角ρ为0.01°,则方位误差为0,俯仰角误差为0.01°.

由于红外探测系统的探测距离一般要比系统不同单元之间的距离大很多,在不同单元之间的距离很大时系统可以通过各单元的位置参数作修正计算,所以不同单元位置误差在工程计算时可以忽略.

由图3可得告警数据输出速率引入的误差为[4]

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其中,

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OB′={[OA′-A′B′·cos(∠OA′B′)]2+

[A′B′·sin(∠OA′B′)]2}1/2 (6)

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当T2-T1为数据输出周期时,由数据输出速率而引起的误差最大,此时

A′B′=AB=V·T=V/f (9)

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假设目标的高度为5 km,速度为1 Ma,航捷为0 m,红外探测系统的数据输出周期为1 s,俯仰角为15°,则由式(10)和式(11)可得误差Δ《为0°,误差Δθ为0.29°(约5 mrad).若告警俯仰角为30°,则由式(10)和式(11)可得误差Δ《为0°,误差Δθ为1.11°(约19 mrad).说明俯仰角越大,则由数据输出速率引入的误差越大.

3 结 束 语

详细分析了红外探测系统自身的角度误差、设备装调误差、平台调平误差、位置不同引入的误差和数据输出速率引入的误差等5个影响地面红外探测系统目标指示精度的主要因素.在设计、研制和检验等过程中都必须充分考虑这几种因素,科学地就有关误差进行计算和分配,从而保证系统具有较高的目标指示精度.

参考文献

[1]白学福,梁永辉,江文杰.红外搜索跟踪系统的关键技术和发展前景[J].国防科技,2007(1):34.

[2]林涛,张建奇,石云侠.红外探测系统计算机仿真模型研究[J].光电技术应用,2008,23(2):70-74.

[3]成斌,赵威.光电对抗装备试验[M].北京:国防工业工业社,2005:184-185.

数字水准仪测量系统及其精度评定 篇2

数字水准仪测量系统及其精度评定

总结了数字水准仪测量系统的组成及其特点,详细分析了水准测量的精度计算方法,并结合实验给出了算例.

作 者:刘群 张恒  作者单位:刘群(四川建筑职业技术学院实践教学部,四川德阳,618000)

张恒(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳,618000)

刊 名:四川建筑 英文刊名:SICHUAN ARCHITECTURE 年,卷(期): 29(2) 分类号:P204 关键词:数字水准仪   精度   系统  

论玻璃基板称重系统精度提高的对策 篇3

摘要:应用于玻璃基板生产的在线式称重系统(以下简称称重系统),要求能够快速、精确、非接触式(不能接触玻璃基板品质保证区)的称量玻璃基板的重量。为解决原称重系统的问题,我们设计一种不需要取出装置的称重系统,这样既可解决取出、放回过程的时间占用,同时也能消除电气连接对称重精度的影响。经过实际使用,发现该称重系统仍存在一些影响精度的问题。通过改造,系统精度完全满足前一工序工艺控制的要求,能够快速反馈精确的重量数据。

关键词:玻璃基板 称重系统 精度提高

1 背景技术

应用于玻璃基板生产的在线式称重系统,要求能够快速、精确、非接触式的称量玻璃基板的重量。在质量不符合要求时,及时调整工艺参数,提高玻璃基板的良品率。原有的称重系统,在称重传感器和玻璃基板之间设计有一套玻璃基板取出装置。这个取出装置的作用是将玻璃基板从其输送设备上取下,使得其重量全部作用在这个取出装置上。而这个取出装置的重量又全部作用于称重传感器上。此时,称重传感器可以称量出该取出装置与玻璃基板的累加重量。但具有两个明显的缺点。一是由于取出装置的存在,动作耗时较长,制约了生产效率的提高;二是该取出装置中采用气动元件直接夹持玻璃基板,这种连接也会影响称重精度。

2 系统结构

为解决原称重系统的问题,我们设计一种不需要取出装置的称重系统,这样即可解决取出、放回过程的时间占用,同时也能消除电气连接对称重精度的影响。结合5G玻璃基板的实际生产情况,我们采用的方案如下。

该称重系统包括两个称重装置和一部控制装置,叙述如下:5G液晶玻璃基板生产时,由一种带夹子的输送小车,夹紧玻璃基板后,垂直吊装运输。输送小车在特定的轨道上一次运动到各个工位。其中,与称重相关的有玻璃基板装载工位、玻璃基板卸载工位,空载小车返回工位等。为了实现玻璃基板不离开小车即能完成玻璃基板称重,新设了两个工位。一个工位在装置玻璃之前;另一个在装载玻璃之后。每个工位上均设计了一种称重装置,这样,这两个称重装置就可以分别称出空载输送小车的重量和负载输送小车的重量。两个数据相减即可得出玻璃基板重量。

上述玻璃输送小车有一个金属材质的底板,底板上有两个定位孔。输送小车不需要任何电气连接。输送小车置于轨道之上,有底板下部由电动机驱动的尼龙辊子通过摩擦力驱动输送小车前进。

根据这一情况设计了一种称重装置,由固定底板104、气缸103、直线轴承102、导杆101、升降底板105、称重传感器108、称重横梁107、定位柱110、辅助支柱109组成。固定底板安装在导轨下方,气缸,直线轴承安装在固定底板上。气缸的缸杆与升降底板连接;气缸在下位时,升降底板也在下位,这时定位柱和辅助支柱不会干涉输送小车的运动。当输送小车到位需要称量时,气缸顶升起升降底板。经过称重传感器、称重横梁同时顶升起辅助支柱和定位柱。

3 精度提高对策

①采用稳固的落地式支架系统。称重传感器采用的应变片结构的,这种传感器其精度很受系统稳定的影响。设计了一个落地式的支架,将整个称重系统通过落地支架支架座落在地面上,并增加了减震垫后,振动幅度明显减小,精度提高了很多。②调整控制器参数,作低通滤波。采用HARDY称重传感器和控制器,控制器内置低通滤波器。可以将一定频率的振动通过滤波的方式滤除。实际检验,滤波频率设定为1Hz时效果最佳。③高频多次采样取均值。采用HARDY称重传感器和控制器,控制器内置多次取样平均的程序。结合生产节拍和采样频率,设定为20次采样后取平均值。④采取除静电措施,防止静电对信号线的干扰。传送带辊子为尼龙材质,玻璃输送小车为铝合金阳极化材质。两种材质均为表面绝缘体,相互摩擦后产生了静电。当称重系统称量小车时,发现小车与称重系统接触瞬间会出现静电放电现象。静电释放时产生的电磁干扰也影响了称量精度,甚至造成瞬间电压过高,称重控制器内A/D转换器进入自保护状态而形成了死机现象。因此,在小车进入称重工位前加了一个除静电器。事先将静电去除。⑤控制器采取屏蔽,防止空间电磁波干扰。控制器安装于一金属配线盒内,盒体接地。进一步降低了空间电磁波对控制器内部电路的干扰。

称重系统改造后的称量结果与离线称量值对比如下图所示。

4 结论

通过上述几项措施,本次设计的称重系统精度大大提高。现场统计数据表明:未改造前,称重系统精度为±15g,改造后提升至±5g。改造后的系统精度完全满足前一工序工艺控制的要求,能够快速反馈精确的重量数据。

参考文献:

[1]叶圣麟,马军山,黄鑫,王又良,张伟,唐武.液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元仿真[J].应用激光,2006(04).

[2]陈向阳,韩荣荟.玻璃基板概述[J].玻璃,2013(09).

小型高精度恒温系统的研究 篇4

温度是工业生产中相当重要的参数之一, 温度检测和控制的准确性直接影响产品的稳定性和准确性[1]。因此, 在很多工业仪器仪表中, 对温度要求严格。如在生化仪器中, 检测的是化学和生物方面的物品, 温度对其影响非常大, 没有一个恒定的温度会使测量结果产生误差[2]。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。而且现在的仪器都是趋于小型化, 便携化的方向发展, 所以研制小型化恒温系统意义明显[3,4,5]。

针对这一情况, 以单片机为控制器核心, 对温度信号进行校正和补偿, 对温度控制采用相关优秀算法, 并且在实验中反复调试控制参数, 控制器件采用半导体致冷器, 它具有小巧, 而且同时满足加热和制冷功能。使小型恒温系统达到较高的要求, 为解决温度恒定控制提供了良好的基础。

1 硬件设计

因为铂热电阻化学性能稳定且具有较高的测量精度, 所以测温器件选用A级精度薄膜铂热电阻Pt100作为温度传感器。电桥采集温度信号稳定精确, 所以采用其作为信号测量电路。采用分辨精度高的16位I2C总线型串行A/D转换芯片MAX1119[6]。采用INA118仪表式放大芯片, 它的性能稳定, 放大后数据准确。以AT89C51芯片作为核心控制器件, 芯片具有价格便宜, 芯片具有高静电保护, 不怕电源抖动。半导体制冷片采用TEC12706。系统原理图如图1所示。

实验控制对象空间是一个0.16 L空间的区域。用精密铂热电阻将温度信号转化为电压信号, 通过放大后进入A/D转换器, 然后输出的数字信号进入单片机, 通过软件进行非线性校正得出温度数据。同时将所测温度在LCD上进行显示, 将温度数据通过PID运算转化为可调的脉冲宽带调制波。通过调节PWM波的占空比来调节半导体制冷片的功率, 以达到恒定温度的目的。

1.1 测温电路部分

电桥选用A级精度的铂热电阻Pt100作为温度传感器, 其他三个电阻选用0.1%的100 Ω的电阻。电位器功能是调节平衡。如图2所示。

仪表放大芯片有很高的输入阻抗, 且其选择了同相端作为输入端, 则它们的共模输出电压和温度漂移电压也相等, 可以互相抵消, 故它有很强的共模抑制比和较小的输出漂移电压。为了使放大芯片工作在最佳状态下, 芯片的供电电压最好要比输入共模电压高1.25 V。采用单端供电方式时, 选取参考电压源约为供电电压的1/2。通过改变电阻Rg的阻值来改变增益。G=50/Rg+1。如图3所示。

这样就保证了放大信号进入单片机信号有很好的稳定性、精确性, 为能更好控制温度打下良好基础。

1.2 控温电路部分

电桥经过放大电路输出电压信号经A/D转换后送入到单片机, 单片机对其进行自校正PID控制, 由单片机端口输出相应的PWM信号。PID控制脉冲宽带调制PWM波的占空比, 通过控制光耦的通断来控制半导体制冷片的加热功率。为保证半导体制冷器件正常工作, 要求输入的电源电压纹波小于10%, 且在5 min内不能改变电源的极性[8], 因此本系统采取滤波电路, 采用两个分立的控制电路, 使得制冷单元和加热单元完全分开, 既能使电压的纹波达到了要求, 又不会突然改变半导体制冷器件电源的极性, 使制冷器件的寿命延长。由于光藕输出电流达不到要求, 所以系统加入了场效应管来驱动半导体致冷器。如图4所示。

2 系统的软件部分

主程序主要处理系统的初始化, 扫描键盘, 采样温度值, 对采样数值进行数字滤波, 显示温度, 进行运算和控制输出等工作, 控制算法采用自校正PID算法, 这样有利于防止超调量过大, 对于加热空间有一定的补偿作用。主程序流程图如图5所示。

2.1 PID控制算法

数字PID算法的增量形式为:

Δu (k) =ΚΡ[e (k) -e (k-1) ]+ΚΙe (k) +ΚD[e (k) -2e (k-1) +e (k-2) ]

由于温度响应具有迟滞性, 属于一阶延时系统, 若采用常规的PID算法控制效果不好, 并且会出现较大的超调量, 为了解决这一问题设计采用自校正PID算法, 从实验结果看性能指标均有提高。

Δu (k) =pΚΡ[e (k) -e (k-1) ]+iΚΙe (k) +dΚD[e (k) -2e (k-1) +e (k-2) ]

式中:KP为比例系数;KI为积分系数;KD为微分系数。p, i, d为自校正系数。

针对被控对象参量设定一个门限值M, 可把其分为三种情况, 如图6所示。

(1) 偏差值远离门限值, 即|e (k) |>Μt3段。这时需要全速加热即不引入微分相。比例相可以迅速反应误差。微分相可以减小超调量和加快动态响应速度。

(2) 偏差值在门限值之内, 且朝差值减小的方向变化。即|e (k) |<Μe (k) Δe (k) <0e (k) Δe (k) >0, t1, t4段和t2, t5段。引入积分, 消除稳态误差。

2.2 PID参数整定

M为恒温箱实际温度与设定温度偏差限, 根据温度变化趋势, 采用如下处理:

设计采用扩充临界比例法来整定, 通过实验测量得:

u (k) =p40[e (k) -e (k-1) +i6e (k) ]+d2[e (k) -2e (k-1) +e (k-2) ]

(1) 当|e (k) |>Μ, PID控制只有比例相, 进行全速加热或制冷, 偏差值越大解热功率越高以达到迅速调整偏差的目的。p=1, i=0, d=0.5。

(2) 当|e (k) |<Μ, 偏差绝对值在设定误差限以内, 分以下两个方面来处理:

e (k) Δe (k) <0, p=0.5, i=0.7, d=1。

e (k) Δe (k) >0, p=0.5, i=0.5, d=1.5。

3 结果分析

本系统加热对象是一个容积有0.16 L的空间, 在实验室环境下多次实测数据表明, 18 s达到所需温度, 但是会有1 ℃的超调量, 经过两个60 s后最终达到稳定状态, 并且状态比较理想。

4 结 语

本系统采用抗干扰能力强, 低功耗的单片机, 配合精度较高的温度测量电路, 使温度测量准确。软件采用自校正控制算法, 使测量即控制性能得到提高, 该系统可应用于大部分温度控制场合。

摘要:介绍一种小型高精度恒温控制系统, 该系统以AT89C51单片机为控制核心, 由前端信号调理电路和放大电路组成, 用A级Pt100作为温度传感器, 针对铂电阻测温存在非线性的特点, 从软件方面进行校正, 以保证测量准确度。同时在算法控制上采用比传统的PID更加好的自校正PID算法。控温采用半导体制冷器。经对研制的小型恒温系统进行反复调试, 并测量了大量的实验数据, 证明其在理论和实验上都具有可靠性。实验结果表明, 不仅测量和控制方法是可行的, 而且控制精度达到了较高的水平。

关键词:铂电阻,温度控制,高精度,自适应PID

参考文献

[1]国强, 王淑钧.高精度恒温连续可调型温控器的设计[J].应用科技, 2003 (30) :1-3.

[2]程汉湘, 姚齐国.外冷器温差检测系统[J].自动化仪表, 2003 (24) :29-32.

[3]张敬怀, 杨东安.单片机水温控制系统[J].北京电子科技学院学报, 1998 (1) :22-23.

[4]邹思.基于模糊理论的电阻炉温度控制[J].仪表技术与传感器, 2000 (10) :41-42.

[5]刘大伟, 李续友.基于DSP的多路温度控制系统的设计[J].仪表技术与传感器, 2004 (8) :51-54.

[6]文小玲.高精度温度测控系统[J].仪表技术与传感器, 2007 (8) :46-47.

[7]龚瑞昆, 李静源.高精度铂电阻测温系统的实现[J].仪表技术, 2008 (7) :9-10.

[8]洪金海.基于半导体致冷器件的恒温系统[J].中国高新技术企业, 2008 (21) :6-7.

[9]宋洪才.浅析PID参数整定[J].中国计量, 2003 (11) :45.

系统精度 篇5

通过分析微小型组合导航系统中导航计算机的.功能要求,确定了导航计算机的硬件设计指标.提出以高性能浮点型TMS320C6713数字信号处理器(DSP)为核心处理器芯片,设计了高速18位差分A/D转换电路、16位D/A转换电路等多种接口电路,运用现场可编程逻辑技术有效地降低了系统设计复杂度.设计并实现了可靠的程序实现流程,使捷联惯性航姿系统脱离通用计算机平台.实验证明:基于DSP的组合导航系统的精度和实时性能够达到设计要求,并且,便携、价廉,对导航系统在微小型领域的广泛使用具有实际意义.

作 者:孙永荣 刘建业 刘瑞华 杜亚玲 SUN Yong-rong LIU Jian-ye LIU Rui-hua DU Ya-ling 作者单位:孙永荣,刘建业,杜亚玲,SUN Yong-rong,LIU Jian-ye,DU Ya-ling(南京航空航天大学,自动化学院,江苏,南京,210016)

刘瑞华,LIU Rui-hua(中国民航学院,空中交通管理学院,天津,300300)

系统精度 篇6

【关键词】三维活动控制系统;交通事故摄影测量;严密平差

1.引言

造船精度控制系统DACS探析 篇7

关键词:精度管理,DACS系统,造船

造船精度管理是转换造船模式,实现现代化模式造船的重要组成部分。利用科学管理技术及建造工艺控制船体建造总过程中的精度,减少二次修割量,提升效率,减小成本,确保质量。而采用先进的精度控制软件及精度控制设备,是促进造船精度管理发展的重要保证。青岛海徕天创科技有限公司借鉴国外丰富且较为成熟的精度控制管理系统的经验,研发出了一套适合我国造船业的精度控制系统DACS(Dimensional&Accuracy Control System)。

1 造船精度测量技术研究状况

目前,技术较先进的日韩及一些欧美国家在造船测量和精度控制方面处于世界领先水平。他们承接的船型多样化、高技术,针对不同的船舶,制定并完善了船舶建造测量,精度控制技术和管理方法,积累了丰富的经验。如今,测量设备的自动化及智能化程度不断提升,比如高精度Leica全站仪、Metris激光雷达测量仪、i GPS测量系统等。三星重工拥有先进的精度管理系统,该公司采用i GPS建立测量控制系统,并且能够在船体的分段建造、船台和船坞的搭载过程中实时测量和控制,引导数控小车对船体分段进行调整。

以船台中心线的测量为例:我国最早采取吊线锤法的方法来做船台的中心线;到20世纪60年代,许多造船厂使用光学经纬仪做船台的中心线;到20世纪70年代中期,我国船厂大多采用激光经纬仪J2-JD,它不仅保持了原有的性能和精度,还更便于使用,很大程度提升了工作效率。近年来,韩国的造船测量系统的测量工艺、测量设备已趋于成熟与稳定,我国造船厂大多采用韩国模式。

2 船舶测量DACS系统

DACS精度控制系统应用特点:

2.1 造船所用的全站仪精度最高可达0.5秒,测距精度最高可达1mm+1ppm,属当前精度最高的全站仪,能自动显示、记录。

2.2 全站仪的激光测距技术能够测量几百米内的物体表面,并且专利的pinpoint技术能够精确地测量角落、船体边缘、及较难触及的区域,提高了测量人员的安全性。

2.3 该系统可现场划余量线,计算长、宽、高等几何量。

2.4 专业测量软件配合全站仪,数据测量简单快捷,数据采集后可将数据导入计算机,结合设计模型对分段进行三维误差分析,出图形报表及数据报表进行精度控制,来严格控制分段精度。

2.5 分段上船台或船坞前,可先在软件中模拟合拢和搭载,以保证分段能一次合拢,减少二次修正及建造周期。

3 DACS的应用实例

3.1 DACS软件在控制分段精度的操作流程:

3.1.1 使用全站仪对分段进行数据采集,主要测量分段的结构点,CM节点等重要节点。

3.1.2 把全站仪测的分段数据后缀对应是mes的文件存入计算机。

3.1.3 打开DACS软件,选取分段对应的三维设计模型,在模型上标注之前测量时对应的设计点。

3.1.4 把此前后缀是mes文件导入DACS软件,对数据进行匹配,对分段进行三维分析,把分段调整到位,最终生成精度报表,然后对分段不良点进行修正。

3.1.5 系统分析出三维误差,将误差标注在设计数据后,标注框内设计数据后的括号内显示的就是误差。误差修正方法如表1所示。

3.2 DACS软件在控制分段精度的实例:

以64000T散货船224底边舱分段为例:

查看224底边舱分段的三维检查表,可以直观的看出分段的余量分布情况,方便在分段阶段对余量进行修割,保证分段端面的平齐度,并可开设好坡口,提高坡口保留率。同时能看到各个结构点的三维数据,方便各个肋位、纵桁的对接,使分段能一次定位成功。

4 DACS系统运用效果

4.1 分段尺寸测量。按照设计值进行构件形状的测量。对分段进行测量和使用软件,以便更好把握对接合拢口的尺寸。

4.2 模拟搭载。

软件主要依据测量的数据结果来模拟船体分段实际搭载情况,减小船体分段搭载时的误差,修割船体分段的余量等。

4.3 总段和船台或船坞的定位测量。测量端面的水平、长、高、宽及肋距等。

结束语

测量控制技术在现代造船模式中至关重要。以此逐步推行船体分段无余量制造工艺,减少不良分段上船台修正的概率。取消加放余量、改放补偿量的工艺实施,减少了船体作业的修正量,形成船台吊装一次定位,快速搭载的新工法。我国造船业已全面实行向现代数字化造船模式的转变,且随着DACS精度控制体系在我国船舶建造业的推广与发展,造船工业的发展将进一步被推进。

参考文献

[1]郭一鸣,殷义勇,盛建国.船体建造精度控制测量方法研究[J].科技与管理,2011(4):12-18.

[2]王勇.船体建造精度测量DACS系统探析[J].南通航运职业技术学院学报,2010,9(3):32-34.

实时广域差分定位系统及精度分析 篇8

随着卫星导航技术的发展以及导航定位用户需求的发展, 高精度、实时性、低成本成为卫星导航用户需求的发展趋势。利用广播星历进行单点定位, 虽然能够满足实时性、低成本的需求, 但是无法实现高精度定位。而通过地面增强 (单站增强或组网增强) 的手段为用户提供高精度服务, 实现了高精度、实时性, 但是由于需要组建增强系统而不具备低成本的优势。本文利用IGS (国际GPS服务) 实时产品, 通过自研GPS接收机以及广域差分定位软件实现, 建立实时广域差分定位系统, 并对其性能进行测试实验。

2 系统组成与原理

实时广域差分定位系统主要由天线、GPS接收机、处理计算机 (含广域差分定位软件) 等设备组成组成, 并通过网络接入IGS产品。设备组成与连接关系如图1所示, 处理计算机上运行自己开发的实时广域差分定位软件, 软件运行界面如图2所示。

实时广域差分定位系统的基本原理为:GNSS接收机进行导航信号观测, 生成伪距观测值并解析导航电文, 并将观测值和导航电文实时传输给处理计算机;处理计算机运行的广域差分定位软件接收来自接收机上报的观测数据的同时, 通过网络实时获取得到IGS卫星轨道和钟差改正数;广域差分定位软件读取事先下载的电离层格网改正文件, 获取电离层改正信息;利用观测值、轨道钟差改正信息和电离层改正信息进行广域差分定位解算, 得到点位坐标。

3 实时改正数据产品

实时广域差分用到的IGS实时产品主要为轨道改正和钟差改正, 其播发格式为RTCM-SSR, 其中, 轨道和钟差改正数的电文类型为1060, 分为数据流标识和数据记录两部分[2]。

3.1 轨道改正

实时产品中轨道信息是对广播星历算出来的卫星轨道星固系下径向、切向和法向的修正值, 因此, 要将该项改正加入到广播星历中去, 再和IGS数据进行对比, 就需要将IGS星历数据和广播星历计算出的卫星轨道转化到星固系下的径向、切向和法向上去[3,4,5]。由卫星位置和速度计算出卫星轨道在径向、切向和法向的单位向量。

式中分别为卫星轨道在切向、法向和径向的单位向量;是卫星在地固系中的速度向量, 由后一秒的位置减去当前秒的位置得到;是卫星在地固系中的位置向量。

则可以实现由地固系转到星固系

式中, 是卫星在地固系中的位置向量;是卫星位置分别在切向、法向和径向上的投影量。

因此, 或者

3.2 钟差改正

实时钟差也是对广播星历算出的钟差的修正值。具体见下式[3,4]

4 系统精度分析

为了对实时广域差分定位系统的性能进行评估, 分别进行了多组动态定位与静态定位试验。试验采用GPS L1伪距观测值, 卫星轨道与钟差改正信息从IGS发布机构实时获取, 电离层格网事先从IGS网站下载。试验情况分别如下。

4.1 静态定位精度分析

实时广域差分定位系统的静态定位精度分析试验是将接收机天线安装在已知点位上, 设置接收机采样率为1Hz, 处理软件进行实时定位处理, 并将实时广域差分定位结果与已知点坐标进行比对分析, 评估系统的静态定位精度水平。试验数据与结果如图4到图6所示。

将广域差分定位结果与真实坐标进行对比, 并换算得到北东高三个方向的误差值序列, 经统计得到实时广域差分系统静态定位精度为:平面1.159m (RMS) , 高程2.862m (RMS) 。

4.2 动态定位精度分析

实时广域差分定位系统的动态定位精度分析试验中, 分别搭建广域差分定位系统和RTK平台, 其中, RTK平台的基准站安装在已知基准点上, RTK流动站和广域差分定位系统的接收机均安装在测试车上且采用同一天线进行功分, 基准站与流动站距离为2km~3km。接收机采样率均为1Hz, 由于RT K定位精度为厘米级, 可以作为广域差分定位结果的参考值, 将实时广域差分定位结果与RTK定位进行比对分析, 评估系统的动态定位精度水平。试验数据与结果如图7所示。

将广域差分定位结果与RTK定位结果进行对比, 以RTK定位结果为真值, 并换算得到北东高三个方向的误差值序列, 经统计得到实时广域差分系统动态定位精度为:平面1.665m (RMS) , 高程3.427m (R MS) 。

5 结束语

通过对实时广域差分定位系统的研制, 并分别对系统进行静态与动态测试实验, 结果表明:实时广域差分定位系统的定位精度可以达到水平优于2m, 垂直优于3m, 动态测试时垂直精度比静态测试稍差一点, 优于3.5m。此外, 相对于其他导航型以及高精度测量设备, 实时广域差分定位系统具有高精度、实时性、低成本、设备简单等特点, 随着我国北斗卫星定位系统的发展, 也将有更广泛的应用前景。

参考文献

[1]Ken MacLeod and Mark Caissy.Real time IGS pilot project (RT-PP) status report[R].IGS Workshop, Newcastle UK, June 28, 2010.

[2]时小飞, 高成发, 潘树国等.全球定位系统实时服务数据的精度分析[J]·导航定位学报, 2013 (4)

[3]楼益栋.导航卫星实时精密轨道与钟差确定[D].武汉:武汉大学, 2008

高精度超声波测距系统设计 篇9

关键词:测距系统,AT89S51,误差分析,硬件设计,流程图

1 引 言

利用超声波测量距离的原理可简单描述为:超声波定期发送超声波,遭遇障碍物时发生反射,发射波经由接收器接收并转化为电信号,这样测距技术只要测出发送和接收的时间差,然后按照下式计算,即可求出距离:

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由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此,广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级,测量的精度往往能达到厘米数量级。 本文在分析现有超声波测距技术基础之上,给出了一种改进方案,测量精度可达毫米级。

2 系统方案分析与论证

2.1 影响精度的因素分析

根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定,为了能够提高计时点选择的准确性,本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外,当要求测距误差小于1 mm时,假定超声波速度C=344 m/s (20 ℃室温),忽略声速的传播误差。则测距误差sΔt<0.000 002 907 s,即2.907 ms。根据以上过计算可知,在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1 μs的精度,因此系统采用AT89S51的定时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。

超声波的传播速度主要受空气密度所的影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系。温度与超声波的速度之间的近似公式为:

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式中:C0为零度时的声波速度332 m/s; T为实际温度(℃)。 由此可见,测量精度与温度有着直接的关系,本文采用DS18B20温度传感器,对外界温度进行测量,并在软件中实现温度补偿。

2.2 整体方案设计

本文主要采用单片机控制技术,实现精确的超声波测距方案,整个系统由超声波收发单元、波形校准单元、温度测量单元、显示单元和控制单元5个单元组成。其中,超声波收发单元主要实现超声波的接发送和接收;信号处理单元主要实现去除干扰、波形整形、锁相环等功能,便于实现准确计时;温度测量单元主要测量外界温度,实现温度补偿;显示单元实现测量数据的显示;单片机为控制单元,完成指令发送,接收数据,进行计算等任务。

3 系统硬件设计

3.1 超声波发射部分

本文中脉冲发射采用软件方式,利用AT89S51的P1.0口发射40 kHz的方波信号,经过74HC04放大后输出到超声波换能器,产生超声波。74HC04是一个高速CMOS六反相器,具有放大作用,具有对称的传输延迟和转换时间,而相对于LSTTL逻辑IC,它的功耗减少很多。对于HC 类型,其工作电压为2~6 V,它具有高抗扰度,可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。

本系统将40 kHz方波信号分成两路,分别由74HC04经两次和一次反向放大,从而构成推拉式反向放大。电路图如图2所示。

3.2 超声波接收部分

超声波接收部分采用集成芯片CX20106A,这是一款红外线检波接收的专用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路。

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到合适的幅值;再经过带通滤波器滤波得到有用信号,滤除干扰信号;最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路,实现准确的计时。CX20106A的外部接线图如图3所示。

图3中1脚是接收信号输入端,2脚是调节接收信号灵敏度,电阻越小,灵敏度越高。电容越大,灵敏度越高。电容一般取1 μF,电阻50~300 Ω的,在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低,干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。5脚主要用来调节中心频率,这里取200 kΩ,7脚接上拉电阻,这里取1 kΩ左右。

3.3 显示部分

显示部分采用共阴极数码管,由单片机实现控制,单片机的P0口输出段码,P2口用作位码,用PNP型三极管驱动(本设计采用9018),由于单片机I/O口的驱动能力非常小,P0口需外接上拉电阻来增加驱动能力,应用时要注意,在低电平时,可能由于电流直接经电阻流进I/O的灌流太大而烧毁单片机,所以提升电阻一般取600~1 000 Ω。实验证明,数码管亮度合适。其原理图如图4所示。

3.4 温度测量部分

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,将其数据线与单片机的P1.3相连,就可以实现温度测量。测量的温度精度可以达到0.1 ℃,测量的温度的范围在-20~+100 ℃。电路如图5所示。

4 系统软件设计

测距系统软件采用汇编语言,由发射脉冲子程序、用中断实现回波接收子程序、计算距离子程序、数码管显示子程序和计时单元延时子程序几部分组成,采用模块化编程。其软件流程图如图6所示。

程序首先初始化需要用到的寄存器,内存单元,设置中断触发方式,并初始化DS18B20,然后控制P1.0口输出12 μs的高电平,再输出13 μs的低电平,循环10次便可发射10个频率为40 kHz的脉冲信号。经过一段延时后,CPU开放中断,开始计数,将计数器初值设为延时所经过的距离,计数器每过一个计时单元加一。中断产生,停止计数,最后将计数器中的值数据处理后显示到数码管上。如果计数器中的值小于预定值就由软件产生一定频率的信号到蜂鸣器报警,并启动报警灯。当需要所存数据时,由外部中断判断键盘是否按下,通过不断显示上次测量数据来锁定数据。当检测到键盘再一次按下时,按取消锁存,并继续测量距离。

5 结 语

应用本系统3 mm~20 m内的目标做了多次测量,测量结果为,其最大误差为1.5 mm,且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此,它可用于许多对测量要求精度高,测量范围适当的设备和各种检测系统中。

参考文献

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[2]阮成功,蓝兆辉,陈硕.基于单片机的超声波测距系统[J].应用科技,2004,31(7):22-24.

[3]罗庆生,韩宝玲.一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统[J].计算机测量与控制,2005,13(4):304-305.

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[5]李丽霞.单片机在超声波测距中的应用[J].电子技术,2002,29(6):7-9.

[6]张珂,刘刚海.提高超声波测距精度方法的研究[J].现代电子技术,2007,30(15):139-141.

[7]姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪[J].国外电子元器件,2000(12):31-34.

[8]宋学坤,陈迎春,赵进创.一种具有双重输出功能的超声波测距系统[J].微计算机信息,2007,23(16):168-170,167.

系统精度 篇10

自1994年美国的全球定位系统(GPS)全面运行以来,卫星导航定位系统在军事和商业上的应用越来越普遍。由于巨大的军事和商业利益,俄罗斯和欧洲也在建立各自的全球导航卫星系统。俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)已经部分建成,预计在2007年覆盖全球;欧洲的全球导航卫星系统(GNSS)Galileo正在筹建之中,预计在2010年左右建成。

全球卫星导航定系统能提供包括陆地、海洋、航空和航天的全天候的导航定位能力,有着巨大的军事用途和商业利益。那么,全球卫星导航定系统提供精确导航定位的基础是什么?本文从已有的卫星导航系统入手,详细描述影响卫星导航定位系统精度的主要问题,如卫星导航所用的时间基准、时间同步、导航卫星的定轨以及它们对定位精度的影响等。

1 影响卫星导航定位系统精度的几个问题

用卫星的无线电信号进行导航定位的前提是已知卫星的精确位置、统一的时间基准和卫星播发的导航信号。初始的卫星轨道由测控系统进行跟踪和测量。在调试完成后,卫星进入预定的轨道,这时的卫星轨道一般精度不高,需要监测站对卫星轨道进行不断的监测和修正,使卫星轨道的预测越来越精确,最终达到使用要求。导航定位系统应有精确、统一的时间基准,一般采用一组铯原子频标,使得各个卫星的时钟与时间基准对齐,各个卫星用统一的时刻播发导航信息。对于GPS来说,各个卫星播发导航信息的绝对时刻在2 ms之内,而各个卫星时钟与统一的时间偏差则在导航电文中播出。

有了卫星的精确位置、卫星播发导航信号的时刻和统一的时间基准,剩下的问题就是导航接收机精确地测量卫星信号到达接收机的时刻,到达时刻的测量可分为伪距(伪码)测量和载波相位测量,这2种测量方法有不同的测量精度和解算要求。

可以看出,影响卫星导航定位系统定位精度的主要问题是,导航系统保证的统一的时间基准、时间的同步、卫星轨道的测量,以及用户接收机采用的测量方式。

2 时间基准[1,2]

时间基准作为一个基本的物理量,经过几千年的演化,在20世纪初进入了电子和原子时代,从最初的LC振荡电路、晶体振荡器、原子频标到现在正发展的离子存储频标,作为时间基准的频率标准大约以每10年提高1个量级的速度进步。

各种的频率源,从可靠性、价格、长期稳定性、短期稳定性上来看各有优缺点,如晶体振荡器具有体积小、价格便宜、可靠性高和短期稳定性好的优点,但其长期稳定性较差,晶体振荡器一般只能达到2×10-8的量级。

一个好的商业级铯频标可达到2×10-14/d,而最好的铯束频标可达到4.4×10-15[1]。氢原子频标的频偏较大,但稳定性好,一般其频偏为5×10-11,稳定性可达2×10-16/d。原子频标除了铯钟和氢钟还有铷钟,铷钟体积比较小,但频偏和稳定性都较差,其短时稳定性为3×10-11/(1~1 000 s)和长时稳定性为5×10-11/月[2]。

从性能上看,铯钟和氢钟性能较好,从价格上和可靠性上看,晶体振荡器则更有竞争力,所以,导航卫星上不仅配备铯钟和氢钟,也配备晶体振荡器。

上述原子钟是在地面达到的频率稳定性,在导航卫星上由于受到体积、重量和环境的限制,铯钟和氢钟都达不到以上的频率稳定度,如GPS卫星的频率稳定度为1×10-13左右。我国的可用于卫星导航的正在研制氢钟可达2×10-14[2]。

3 时间同步[2]

在卫星之间,卫星和地面站之间,卫星和用户接收机之间,维持和时间基准的同步是导航定位系统要解决的主要问题之一。实现时间同步一般有单向时间传递、共视时间传递和双向时间传递3种方法。对于大范围远距离的时间传递,一般采用卫星传递无线电信号,如地球同步卫星或GPS卫星。下面对单向、共视、双向时间传递的方法和目前达到的精度进行分析。

3.1 单向时间传递

单向时间传递是最简单的时间传递技术,但也是性能上最差的方法。时间信息从源A经过传输介质时延dab到达用户B,由于每千米有大约3.3 μs的时延,因此传播路径的时延不能忽略。如果源和用户的位置精确已知,则传输时延能被粗略计算。这时的主要误差是电离层时延、对流层时延、多径影响和硬件设备时延。以GPS卫星和GPS接收机为例,当前的GPS广播时间的精度在ns级,比较好的GPS接收机能在几分钟内获得优于±100 ns的时间传递精度。24 h平均可达±10 ns,这是因为广播的卫星位置精度为几米,其时间误差为3~6 ns;电离层延迟可用双频接收机测定,且被限制在几ns;对流层延迟的残差一般为几ns;硬件的不确定性也有几ns;而这些残差在一昼夜内有一定的周期性,故可通过24 h平均减低。

3.2 共视时间传递

改善单向时间传递技术的方法是共视法,该技术允许直接比较相距遥远的2个用户时钟,其原理框图如图1所示。

在该技术中,2个用户A和B不断接收一个信号发射机的信号,测量接收机接收的信号与本地时钟的钟差,通过E-mail或FTP等手段交换2用户的时差值,A和B的钟差由R-A和R-B获得。如果信号到接收机A和B的传输时间精确相等,则2个接收机能精确同步,而不依赖发射机的特性和传输介质。

如果信号到接收机A和B的传输时间精确相等,则2个接收机能精确同步,而不依赖发射机的特性和传输介质。

如果能精确消除信号到达2个接收机的波动和2个接收机的不一致性,则两地能精确地同步。这个理想的情况是不存在的,但是,即使R到A和B的路径不是精确相等,如果它们是近似相等,且波动的延迟是高度相关的,这个方法依然工作得非常好。只要两地的距离较小,使得上述的次佳条件成立,且几何上保证对流层延迟相关,则有比单向时间传递更好的时间标定结果,唯一不利的条件是两地必须进行数据交换。

共视卫星法的钟差=A-B-(dra-drb),共视卫星法的时间传递精度为1~10 ns。在相关文献中,用GPS卫星和较好的GPS载波相位接收机,在相距2 400 km的两地,可达1 ns以内,24 h平均则为100 ps左右。

3.3 双向时间传递

双向时间传递能使两地的时钟直接比较,一个半双工的系统是信号被传回的单向系统,它的单向时延能发送给用户。一个全双工的系统是两地不断的互传,半双工的系统不能消除延迟波动。如果入站和出站时延相等或精确已知,一个全双工的系统不依赖实际的传输路径。完全消除传输路径影响可能是困难的,因为2站的硬件不可能完全相同,且收发频率也必须是分开的。

一个使用同步卫星的双向时间传递如图2所示,称为双向卫星时间和频率传递系统。一旦传播时延能被消除,双向卫星时间和频率传递系统能提供稳定和精确的时间传递。

在双向卫星时间和频率传递技术中,基本的时间测量是TIC(时间间隔计数器),TIC由发送钟信号开启,由接收的远程钟信号关闭,一般是1个脉冲信号/s,TIC的数据被2个站同时记录,且数据文件在2个站之间交换。TIC的方程为:

TIC(A)=A-B+dtb+dbs+dsba+dsb+drb+Sb;

TIC(B)=B-A+dta+das+dsab+dsa+dra+Sa。

中,TIC(A)和TIC(B)是各自的TIC读数,A和B是各自的时钟时间;dxxx是各自的传播时延;Sa和Sb是Sagnac效应(地球自转效应),且Sb=-Sa,Sa=2wAr/c2,w为地球自转角速度,c2是光速的平方,Ar定义为连接卫星到2个站和地心到2个站,在赤道面投影所形成的区域。

适当调整2个时钟,使它同步在0.25 s以内,则TIC的值总是正的。A与B的钟差为:

可以看出,绝大部分的路径延迟被消除,发送和接收延时因设备不同不能消除,这是双向技术的主要误差源。卫星时延对于在2个方向上同时传送的同一颗卫星,能被完全消除。因为上行和下行频率不同,传播时延不能完全消除,这主要是电离层延时不同。由于双向卫星时间和频率传递系统有大的天线,有利于消除多径影响。

双向卫星时间和频率传递系统在24 h周期内,能提供优于1 ns的时间传递,有些系统能达到0.1 ns的精度,一般情况下双向卫星时间和频率传递系统能校准1 ns。

从以上的叙述可知,时间传递或时间同步,主要有3种方法。但是导航定位系统一般使用双向卫星时间和频率传递系统获得更好的对时精度;共视卫星方法在一定条件下,也能提供极好的精度,由于共视卫星方法设备简单,是值得研究的方法。单向时间传递最简单,适于精度要求不高的时间同步。

4 卫星轨道确定

4.1 卫星轨道确定的一般方法

我们知道,用GPS导航定位系统确定用户的位置时精度很高,GPS接收机定位依赖的是GPS卫星的精确位置和预测的运动轨迹。也就是说,GPS卫星在提供服务前,它必须先确定自己的精确位置和预测的运动轨迹。

卫星的定轨依靠的是卫星跟踪传感系统,它可分为被动传感系统和主动传感系统。主动传感系统用雷达跟踪卫星,即雷达发送测距信号到卫星,卫星转发测距信号到雷达跟踪站,测得卫星到地面站的距离和角度,测控网通过测得原始数据对卫星轨道进行计算和预测。

被动传感系统用望远镜和CCD相机,望远镜恒速地扫过一个空间区域,摄像机拍下这一区域的照片,这些照片能监视任何目标的移动,区分恒星和人造卫星。用望远镜、CCD摄像机和计算机处理,有可能对卫星进行精确定轨,美国的空间技术科学家正在对这一方法进行研究。

GPS卫星的定轨综合了被动和主动技术,GPS卫星主动发射无线电测距信号,地面GPS接收机被动地接收测距信号。全球布站的GPS卫星监测网,收集5个监测站(很快将为6个)的测量数据在中心站进行轨道解算,随着布站的增加监测站未来将到18个。那时,通过用超过4个地面站同时接收,用精确的地面站位置和精确的时间同步可直接解算出卫星的精确位置和钟差(与GPS接收机定位解算的原理相同)。

美国为了满足不断发展的航天技术的要求,在1961年开发了称为TRACE的定轨程序,TRACE软件已被不断地增强和开发了40年,成了应用广泛的少数几个工业标准之一。TRACE不是为满足特定卫星的定轨任务,它提供一般化的可配置方案,适应各种轨道模型、定轨任务和测控网;它提供误差分析能力,使得卫星轨道设计者能评估设想,优化跟踪计划。

4.2 卫星轨道确定的误差源

轨道预测是一个非常复杂的任务,它需要各种精确的模型。航天器的运动符合开普勒定律(Kepler Law),但这并不意味着确定和简单,卫星受到各种力的作用,精确模型化卫星轨道必须考虑几个方面的问题。

4.2.1 重力势

地球不是一个完美的球体,它的赤道半径大约比两极长20 km;它的内部物质也是很不均匀的,所以,地球的引力场(或重力势)是很复杂的,早期的模型来源于对地球全球的重力测量。虽然模型逐步改善,但在消除重力场影响时并不成功,美国综合了大量的高精度GPS 数据、激光测量数据和来自其他卫星轨道的数据,于1996年建立了精确的地球重力势模型,第一次使得重力场影响不再是一个主要的误差源。

4.2.2 动态重力势效应

地球的卫星——月球,导致地球的潮汐变化,除了海潮外,月球能引起地球40 cm的形变,地球的气体大气受到同样的扭曲。这个潮汐效应是不确定的,在任何一天地球有可能比典型的24 h平均转速快或慢。目前,这个效应还不能预测,必须进行不断的测量,定轨系统必须进行经常修正。可从“国际地球自转服务”的科学团体得到一些预测数据。

4.2.3 坐标结构

“国际地球自转服务”也提供一个精确的定轨评估,一个由地球内部的熔岩和地核引起的地球形变运动,可产生地轴的晃动。地理北极和地轴天复一天的相对变动,虽然定轨专家要保持地球方位变化的最新理论,但是一般预测的是地球自转轴的章动和运动。

4.2.4 宇宙的引力作用

所有天体施加的引力都能影响地球卫星的轨道,这可通过最新的天文观测数据,使宇宙的引力作用模型化。

4.2.5 太阳光的影响

太阳通过光压对卫星轨道施加影响,太阳的辐射压似乎可以简单地计算,实际上依赖于卫星是否朝着太阳和卫星表面的反射能力。卫星可由地球或月球全部或部分地遮挡,阳光可能被地球反射而照射到卫星,阳光可使卫星的各部分热量不均,引起热辐射加速效应。太阳光影响的模型,需要考虑精确的卫星外观模型和了解它的姿态。

4.2.6 低轨卫星两点加速度

在卫星的转移轨道上,太阳的辐射被地球完全挡住时,太阳辐射压下降到零而引起卫星加速;在近地点,地球对卫星产生最大的拉动效应。

4.2.7 大气拖动

在地球大气和近真空之间没有明显的边界,大气的残余可外展几百千米。对于以高速飞经极少大气的卫星,极少的大气也足以拉动卫星并最终使它落下。大气拖动模型和太阳光影响的模型相似,各种轨道和各种卫星要研究,卫星表面要模型化。大气拖动模型的建立是一个困难的问题,实际上,在一天最好条件下,最好的模型也只有15%的精确度。

4.2.8 电离层延迟

在使用无线电测量时,动态的电离层能导致信号的很大损失,特别在像S波段和L波段这样的低频段。在太阳活动活跃时,电离层有大的暴发或引起电离层风暴。在这种情况下,只能通过测量而不能进行预测。

从上述可知,卫星定轨和轨道预测有许多方法,如被动监测网、主动监测网和2种方法的组合,除了监测网外,航天器的精确轨道模型是轨道预测的关键。监测网能实时的测量航天器的轨道,但轨道预测精度依赖于各种模型的精度。对于GPS系统,卫星轨道精度对用户测距的影响,已由1990年的6 m改进为现在的2 m左右。用GLONASS+GPS双频接收机组成的监测网,对GLONASS卫星的精确的轨道定位的均方值已达20 cm。

5 结束语

导航定位精度体现卫星导航定位系统的整体性能。影响定位精度的因素很多,可分为系统和用户2部分。如上所述的“时间基准”、“时间同步”和“卫星轨道确定”等问题是卫星导航定位服务要解决的问题,它们是卫星导航定位系统建设时面临的基本问题,体现了卫星导航定位系统的技术水平。

摘要:对影响导航定位系统定位精度的各种因素进行了分析。研究了影响导航定位精度的关键技术问题,如时间基准、时间同步和卫星定轨等。叙述了GPS系统的时间基准精度的国内外技术水平,以及时间同步的各种常用方法,如单向时间传递、共视时间传递和双向时间传递等。描述了影响卫星定轨的各种因素,特别是地球重力、月球引力、宇宙引力、大气阻力和阳光光压等对卫星轨道的作用。指明了卫星导航系统的主要误差源或影响定位精度的主要因素。

关键词:卫星导航,时间基准,时间同步,卫星定轨

参考文献

[1]SULLIVAND B,BERGQUISTJ C,BOLLINGER J J,et al.Primary Atomic Frequency Standards at NIST[J].Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,2001,106(1):47-63.

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