JJF 1942-2021 导航型卫星接收机校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 9 4 22 0 2 1导航型卫星接收机校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rG N S SR e c e i v e r sW o r k i n ga tN a v i g a t i o n 2 0 2 1-1 2-0 8发布2 0 2 2-0 6-0 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布导航型卫星接收机校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rG N S SR e c e i v e r
2、sW o r k i n ga tN a v i g a t i o nJ J F1 9 4 22 0 2 1 归 口 单 位:全国振动冲击转速计量技术委员会 主要起草单位:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 参加起草单位:空军研究院航宇救生装备有限公司北京中兴蓝鼎科技有限公司 本规范由全国振动冲击与转速计量技术委员会负责解释J J F1 9 4 22 0 2 1本规范主要起草人:彭 军(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所)李娜娜(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所)参加起草人:黎琼炜(空军研究院)何 群(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所)韩
3、娟(航宇救生装备有限公司)马 波(北京中兴蓝鼎科技有限公司)J J F1 9 4 22 0 2 1目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)4 概述(1)5 计量特性(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 测量标准及其他设备(3)7 校准项目和校准方法(5)7.1 校准项目(5)7.2 校准方法(5)8 校准结果表达(1 2)9 复校时间间隔(1 2)附录A 接收机校准记录表(1 3)附录B 坐标变换(1 4)附录C 火箭橇校准过程及标准弹道建立方法(1 6)附录D 校准不确定度评定示例(1 8)J J F1 9 4 22 0 2 1引 言 导航型卫星接收机主要
4、有四个校准参数。本规范采用大地标准点法、仿真法校准静态定位误差;采用仿真法、圆周法、滑轨法校准动态定位误差、速度误差及加速度误差。本规范采用的大地标准点法主要参考J J F1 1 1 82 0 0 4 全球定位系统(G P S)接收机(测地型和导航型)校准规范,在校准结果上增加了高程定位误差;采用仿真法进行定位和速度校准时,与J J F1 4 0 32 0 1 3 全球导航卫星系统(GN S S)接收机(时间测量性)校准规范的主要区别是将定位误差分为静态定位误差和动态定位误差,而且校准方法和数据处理方法也有差异。除此之外,本规范制定了采用圆周测量系统和滑轨测量系统,利用实际卫星信号对接收机进行
5、动态定位、速度和加速度的校准(包括校准方法及数据处理)。本校准规范依据J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则给出的规则和格式编制。测量不确定度依据J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度的评定与表示给出的规则进行评定。本规范为首次发布。J J F1 9 4 22 0 2 1导航型卫星接收机校准规范1 范围本规范适用于导航型的卫星接收机的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:G B/T1 8 3 1 42 0 0 9 全球定位系统(G P S)测量规范J J F1 1 1 82 0 0 4 全球定位系统(G P S)接收机(测地型和导航型)校准规范J
6、J F1 4 0 32 0 1 3 全球导航卫星系统(GN S S)接收机(时间测量性)校准规范G B/T1 9 3 9 12 0 0 3 全球定位系统(G P S)术语及定义G J B5 4 0 72 0 0 5 导航定位接收机通用规范G J B6 5 6 42 0 0 8 全球定位(G P S)接收机检定规程凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语3.1 数据更新率 d a t au p d a t er a t e卫星接收机正常工作时,定位、速度等信息输出的频度。注:导航型卫星接收机的数据更新率大于1H
7、 z。3.2 静态定位误差 s t a t i cp o s i t i o n i n ge r r o r卫星接收机相对于一个已知标准点之差,一般分为水平定位误差和高程定位误差,其结果分别以水平定位均方根误差和高程定位均方根误差表示。3.3 动态定位误差 d y n a m i cp o s i t i o n i n ge r r o r卫星接收机在运动的条件下,每个时刻接收机解算的位置与标准位置之差。一般分为动态水平定位误差和动态高程定位误差,其结果分别以动态水平定位均方根误差和动态高程定位均方根误差表示。3.4 速度误差 v e l o c i t ye r r o r卫星接收机依据
8、多普勒频移法得到的速度与标准速度之差,其结果以速度均方根误差表示。3.5 加速度误差 a c c e l e r a t i o ne r r o r卫星接收机依据所测得的速度进行一次微分得到的加速度与标准加速度之差,其结果以加速度均方根误差表示。4 概述卫星导航系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。卫星接收机(简称接收1J J F1 9 4 22 0 2 1机)是卫星导航系统的用户终端,导航系统的导航、定位、授时等都是通过终端实现的。图1为一个典型接收机硬件模组原理框图,主要由天线、射频集成电路、数字信号处理器、微处理器等组成,为基带处理和解算软件提供了运行环境和最底层的硬件支持。图1
9、 典型卫星导航接收机硬件模组原理图5 计量特性接收机的主要计量特性见表1。表1 接收机计量特性序号项目名称技术指标1定位误差静态:水平:1.5m,高程:3m动态:水平:2m,高程:5m2速度误差2 m/s3加速度误差2m/s2 注:1上述指标不做合格与否判定,仅供参考。2上述指标以某型接收机为例,其他类推。6 校准条件6.1 环境条件6.1.1 实验室环境环境温度:(2 05)。相对湿度:不大于9 0%。供电电源:电压(2 2 01 0)V,频率(5 01)H z。无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。6.1.2 外场环境环境温度:(-2 0+5 0)。2J J F1 9 4 22 0 2
10、1相对湿度:不大于9 0%。供电电源:电压(2 2 01 0)V,频率(5 01)H z。周围应便于安装接收机设备和操作,视野开阔,视场内障碍物的高度角不宜超过1 5。远离大功率无线电发射源,其距离不小于2 0 0m,远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,其距离不得小于5 0m。附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物等)。6.2 测量标准及其他设备6.2.1 大地标准点通过G P S组网测量得到的已知大地坐标的点位,其中G P S网的布设、选点、埋石、测量仪器、观测作业数据处理等符合G B/T1 8 3 1 42 0 0 1的规定。6.2.2卫星信号模拟器多星座卫星信号模拟器(简称卫
11、星模拟器)可提供卫星导航信号,每频点1 2颗卫星信号,支持任意频点组合的信号仿真输出,提供高稳定度的标准1 P P S脉冲信号和1 0MH z时钟信号输出。主要技术指标:伪距相位控制误差:0.0 5m;伪距变化率误差:0.0 0 5m/s;通道间一致性:0.3n s;速度:(01 60 0 0)m/s;加速度:(09 0 0)m/s2。6.2.3 圆周测量系统圆周测量系统主要由转臂装置、控制系统、测量系统、数据采集与处理系统组成。在控制系统作用下,转臂以一定的角速度绕垂直轴旋转,带动安装在转臂前端的接收机及天线作圆周运动。测量系统使用高精度光栅测量出不同时刻转臂的轴角位置,同步采集接收机和光栅
12、的输出结果,已知转臂长度和轴角位置,即可得到接收机每一采集时刻标准坐标值。主要技术指标:转臂长度:大于1m;光栅测角误差:2;采集卡:采样率4 0k H z。6.2.4 滑轨测量系统滑轨测量系统主要包括滑轨、橇体、霍尔传感器测量系统、遥测系统和时统系统。滑轨全长6k m,沿火箭橇滑轨每1 0m固定安装一套双冗度霍尔开关传感器与转换电路,全程共装有6 0 0套。a)霍尔传感器测量系统滑轨上对橇体运动的测量采用无接触式的霍尔效应传感器测试。橇体上的永磁钢经过霍尔开关传感器,传感器输出电脉冲信号,通过固定铺设的电缆信号线传输,送至室3J J F1 9 4 22 0 2 1内信号数据采集系统处理,并完
13、成对信号的采集、记录。每个霍尔传感器的安装位置侧有与其相对应的大地坐标值,系统的结构框图如图2所示。图2 霍尔测速系统的结构框图对霍尔信号的采集则采用一台高速数据采集记录器,其采样率为(1 01 0 0)k H z。数据记录引入了标准的时统系统,统一下发I R I G-B时码信号,采集的每一帧数据均同时记录经解码的时间信息,保证了霍尔测量系统的时标与遥测系统一致。b)遥测系统在滑轨的橇体上,安装被校接收机,将接收机的输出信号通过数据采编/存储器对信号进行数据采集、编码生成数据流,再传给发射机发射出去。在信号发射的同时,还可由数据采编/存储器中容量为1G B的数据存储卡将数据进行同步记录保存。数
14、据存储与遥测系统示意图如图3所示。4J J F1 9 4 22 0 2 1图3 遥测系统结构示意图c)时统系统在轨道上设有一可切割导线,当火箭橇运动过该导线时,橇体切断导线,并同时产生一脉冲信号送给时统系统,时统系统下发I R I G-B时码信号,分别送给霍尔传感器信号采集系统和遥测系统的地面采集系统。主要技术指标:霍尔传感器位置误差:0.1mm;时统误差:0.1s。7 校准项目和校准方法7.1 校准项目导航型卫星接收机应校准的项目如表2所示。表2 校准项目表序号校准项目1静态定位误差2动态定位误差3速度误差4加速度误差7.2 校准方法7.2.1 静态定位误差7.2.1.1 大地标准点法a)将
15、接收机天线利用安装芯轴置于大地标准点的中心上,连接接收机与采集设备,并用馈线连接接收机与天线,利用随机软件记录接收机每一时刻输出的经度、纬度和高程等信息。b)待系统工作正常后,每2 0m i n为一组,共记录i组数据,i一般不小于3。c)将每组第j个采样时刻记录得到经度、纬度和高程信息转换成与标准点相同坐标系下的坐标值(xi j,yi j,hi j),转换方法参考附录B。5J J F1 9 4 22 0 2 1d)将每个采样时刻记录的坐标值与大地标准点的位置坐标(X0,Y0,H0)进行比较,得到该采样时刻水平和高程定位的误差:Pi j=xi j2+yi j2(1)hi j=hi j-H0(2)
16、式中:xi j=xi j-X0,yi j=yi j-Y0(xi j,yi j,hi j)接收机位置坐标,m;(X0,Y0,H0)大地标准点的位置坐标,m;Pi j 水平定位误差,m;hi j 高程定位误差,m;i 采样组数;j 采样点数。e)静态水平定位误差校准结果可表示为:EP=1nni=11mmj=1(x2i j+y2i j)(3)式中:EP 水平定位误差校准结果,m;m 每组采样个数;n 采集组数,n3。f)静态高程定位误差校准结果可表示为:Eh=1nni=11mmj=1(h2i j)(4)式中:Eh 高程定位误差校准结果,m;m 每组采样个数;n 采集组数,n3。7.2.1.2 仿真法
17、a)将卫星模拟器仿真信号输出端连接到接收机天线输入端口。设置卫星模拟器输出频点与被校接收机可接收的频点相同,在卫星模拟器上输入要仿真的点位坐标值(X0,Y0,H0)及仿真时间。设置仿真机输出功率在接收机标注的灵敏度范围内。b)待系统工作正常后,用接收机的随机软件记录接收机每一时刻输出的经度、纬度和高程等信息,每2 0m i n为一组,共记录i组数据,i一般不小于3。c)数据处理方法参照7.2.1.1的c)、d)、e)、f)。7.2.2 动态定位误差7.2.2.1 仿真法a)将卫星模拟器仿真信号输出端连接到接收机天线输入端口。设置卫星模拟器输出频点与被校接收机可接收的频点相同,在模拟器上输入要仿
18、真的运动轨迹并将输出功6J J F1 9 4 22 0 2 1率设置在接收机标注的灵敏度范围内。b)设置采样间隔时间(一般为接收机数据更新率的倒数),用随机软件记录接收机每一时刻输出的经度、纬度和高程等信息。c)接收机将每个采样时刻记录得到经度、纬度和高程信息转换成与卫星模拟器输出相同坐标系下的坐标值(xi,yi,hi)。d)将每个采样时刻接收机记录的点坐标与该时刻卫星模拟器给定的标准点位的坐标(Xi,Yi,Hi)进行比较,得到每个采样时刻动态水平定位的误差:Pi=x2i+y2i(5)hi=hi-Hi(6)式中:xi=xi-Xi,yi=yi-Yi(xi,yi,hi)第i个采样时刻接收机输出的坐
19、标,m;(Xi,Yi,Hi)第i个采样时刻卫星模拟器给出的标准点坐标,m;Pi 第i个采样时刻动态水平定位误差,m;hi 第i个采样时刻高程定位误差,m;i采样点数。e)动态水平定位误差校准结果可以表示为:Ed p=ni(x2i+y2i)n(7)式中:Ed p 动态水平定位误差校准结果,m;n 测量个数。f)动态高程定位误差校准结果可以表示为:Ed h=nih2in(8)式中:Ed h 动态高程定位误差校准结果,m;n 测量个数。7.2.2.2 圆周法a)将接收机天线置于圆周测试系统转臂前端,接收机置于转臂上,如图4所示。启动圆周测试系统,在(1 01 0 0)()/s范围内选定6个速率点控制
20、转臂旋转,以接收机输出的1 P P S信号同步锁存测角信号和接收机的输出信号,将每个采样间隔内记录得到的经度、纬度和高程信息转换成与圆周测试系统给出的标准点位(Xi,Yi,Hi)相同坐标系下的坐标值(xi,yi,hi)。b)数据处理方法参照7.2.2.1中的d)、e)、f)。7J J F1 9 4 22 0 2 1图4 圆周测量系统7.2.2.3 滑轨法a)将接收机置于测试舱中,测试舱安装在火箭橇滑车上,天线安装在测试舱顶部,滑车以(1 08 0 0)m/s速度运动,接收机的输出信号用遥测系统采集保存并发射给控制室。测速系统记录滑车经过霍尔传感器时产生的一系列脉冲信号,每一个脉冲信号对应一个标
21、准大地坐标值(Xi,Yi,Hi),利用时统信号,统一时间轴,将接收机某时刻的输出与霍尔测试系统的脉冲输出相对应。图5 霍尔信号与接收机输出信号利用接收机输出信息的等时间性和霍尔信号间的距离可知性,利用插值、递推方法,参见附录C,计算出接收机在霍尔位置处对应的输出坐标值(xi,yi,hi)。b)数据处理方法参照7.2.2.1中的d)、e)、f)。7.2.3 速度误差7.2.3.1 仿真法a)将接收机天线输入端连接到卫星模拟器仿真信号输出端。根据被校接收机可接收的频点要求设置卫星模拟器输出频点,在卫星模拟器上编辑需要仿真的速度曲线,以及设置卫星模拟器输出功率,不低于也不能过饱和被校接收机标注的接收
22、灵敏度。b)在卫星模拟器上设置模拟场景的状态参数,可选择典型的运动场景和弹道仿真场景,其中典型运动状态有:匀速直线运动和匀速圆周运动。1)匀速直线运动时,在卫星模拟器上设置的速度参数Vx、Vy、Vz,卫星模拟器输出仿真信号,接收机开机正常定位后,记录接收机每一采样时刻采集到速度信息vi。采样时间3 0s,接收机每一采样时刻的速度误差:vi=vi-V2x+V2y+V2z(9)式中:vi 第i个测量点下速度误差,m/s;8J J F1 9 4 22 0 2 1vi 第i个测量点下接收机的输出速度,m/s;Vx 卫星模拟器在x方向上的给定速度,m/s;Vy 卫星模拟器在y方向上的给定速度,m/s;V
23、z 卫星模拟器在z方向上的给定速度,m/s。速度误差校准结果可以表示为:Ev=niv2in(1 0)式中:Ev 速度误差校准结果,m/s;n 测量个数。一般用户接收机采用站心坐标系E NU(东北天)(e,n,u),若接收机输出的速度信息是地速,则采用附录B进行坐标转换,将卫星模拟器输出的WG S-8 4坐标系下地心地固坐标系(x,y,z)下的速度,转换到用户站心坐标系(e,n,u)的速度,然后进行东、北向速度合成,得到地速。2)匀速圆周运动时,设定圆心位置和圆周运动的半径,当仿真的速度高时,相应加大圆周半径。卫星模拟器给定的圆周运动速度V0,每一采样时刻接收机测定的速度vi,接收机的每一采样时
24、刻的速度误差:vi=vi-V0(1 1)式中:vi 第i个测量点下速度误差,m/s;vi 第i个测量点下接收机的输出速度,m/s;V0 卫星模拟器给定的圆周运动速度,m/s。速度误差校准结果同公式(1 0)。3)采用弹道仿真时,所设计的标准弹道的速度和加速度应在接收机给定技术指标范围内,卫星模拟器模拟弹道的输出频率大于或等于接收机的接收频率,将接收机接收到的每个采样时刻的速度值vi与卫星模拟器同时刻给出的速度值V0i进行比较,得到每个时刻的速度误差为:vi=vi-V0i(1 2)式中:vi 第i个测量点下速度误差,m/s;vi 第i个测量点下接收机的输出速度,m/s;V0i 第i个测量点下卫星
25、模拟器给定的弹道仿真速度,m/s。速度误差校准结果同公式(1 0)。7.2.3.2 圆周法安装准备与采集同7.2.2.2。控制圆周测试系统转动,转动角速度为,则运动圆周速度为V0,每一采样时刻接收机测定的速度vi,接收机的每一采样时刻的速度误差同公式9J J F1 9 4 22 0 2 1(1 2),速度误差校准结果同公式(1 0)。7.2.3.3 滑轨法安装准备及采集同7.2.2.3。依据霍尔传感器得到的时间和位移的关系,通过微分得到标准的速度曲线V0(t);标准速度曲线的获得可参考附录C,接收机测得的速度曲线为vi(t),在每一采样时刻的速度差:vi(t)=vi(t)-V0i(t)(1 3
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