3sNews讯 以“实干 创新 共赢 发展——发展测绘地理信息，助推美丽中国建设”为主题的中国测绘学会第十次全国会员代表大会暨2013年综合学术年会2013年10月11日在北京京西宾馆召开。上午大会特邀报告邀请了四位院士专家做了精彩的演讲。许其凤老师是解放军信息工程大学地理空间信息学院教授、中国工程院院士。许老师的报告是GNSS单天线快速定向。
以下为许院士的报告文字实录：
大家上午好!我给大家介绍的是GNSS单接收机快速、定向。GNSS就是卫星导航系统的一个统称，不管是GPS也好，北斗也好都可以叫GNSS。
一、需求与背景
定向就是测定某个方向的方位角，比如从A点到B点的方向。定向历来就是重要的议题之一。比如大的测量主题解算，其中正解和分解，反解指的就是求大体的方位角。过去测量大体方位角的方法是用天文测量，测出一个方位角的经纬度，由经纬度计算。
军事需求：作为军用来讲同样需要方位，包括定位，比如间接瞄准武器(导弹、火炮)，发射、需要定位定向。另外除了武器之外还有侦查也需要定位定向。比如现在最大量最普通的定位方式是使用雷达，雷达需要制造坐标原点，就是定位。还有一个就是转角，零度在哪儿，应该是以正轨作为零度基准。尤其信息融合的时候，没有定向和定位更容易产生很多问题，比如说实际有过的情况，比如说海上的侦查、空中的侦查，地面的远程侦查，大家都对某一个军舰取得侦查的结果。结果经过信息融合以后给出来的不是一个军舰，而是一个舰队，好几艘军舰，就是因为时空标准不一样。时空标准体现在这里就是定位和定向。
作为军用要求来讲要求全天时、全天候并且快速。全天时就是一天24小时，全天候就是不管阴天下雨、刮风晴天都可以，另外就是快速。这样原来天文大地方法就不太适用了，比如说全天时，经典传统的天文测量白天不太好用，另外阴天看不到星星和太阳，就无法使用。过去有时候测一个天文点一个礼拜甚至半个月的时间，就是等天晴。当然还有其他的方法，比如性导航系统，也可以给出定位和定向，但是一个是它价格比较昂贵，第二个是它有飘移，需初始标定。用卫星导航系统可以同时定位和定向，同时也可以全天时、全天候的进行，也可以比较快速。本来是要求定位、定向两个方面都要，但是定位是比较成熟的技术，因此，我们重点是要解决定向的问题。卫星定向是采用两台接收机，过去我们是这样做的，利用两台接收机之间相对定位解算出点之间的方位角。这个可以全天候的进行，这个项目我们是1987年开始搞的，那时候是航天部二院有一批导弹要出口，要求能够进行定向和定位，当时最早的方案是准备冠导系统，当时每台设备上百万，所以当时采用了卫星的方面解决方位角的问题。
随着信息化战争对快速测定要求越来越高，那时候给我们提出的要求是一个小时之内给他测出大体的方位角来，要求精度也比较高，2到5秒，那时候我们只做一个小时，做到1秒的精度。但是现在，更注重的是缩短发射的准备时间，更重要的是要快速的测出来，因为这涉及到武器系统的生存条件问题。现在信息化战争就是这样的，侦查到你要打的目标，开始要打了，但是对方也要侦查你，你如果要射击准备比如测定方位角，测定坐标准备时间太长时间，不等你准备好发射出去，对方武器已经打到你这儿来了，因此涉及到生命问题，关系生存问题。但是比如炮兵要求精度不高，过去导弹发射要求精度比较高，现在越来越不高了，因为搞了中指导和末指导，这样对初始发射阶段要求不高了。按炮兵要求是3分钟的时间要测出来，但是对可靠性要求很好，不要把它测错了。万一错了，哪怕是万分之一，不像我们搞测量的，测完了一看超过三倍差可以删掉，这个不行，因为测错了导弹打到别的国家会惹麻烦的。这不是玩笑。比如炮兵提出来3分钟要完成定位和定向，定位没有问题，导航可以满足要求，要求精度是5米。密位是1豪弧度。
但是相对定位难于达到快速可靠的要求。我们搞测量的知道如果观测量多了精度就可以提高了，如果提高采样率，原来是1分钟观测一次，我现在一秒钟观测一次，这样一分钟可以观测60次，精度必然会提高。传统测量都有这个概念，但是这个概念对卫星测向来讲有问题，增加观测量以后，靠提高采样频率增加观测量，时间短，同样的观测量，这个几乎是没有效果的，精度提高不了。
二、分析
究竟什么原则提高采样不能解决精度提高的问题?甚至是一个无解的答案。双机相对定位方程要解的参数一个是坐标差，还有一个是模糊度，也叫模糊参数，卫星测量测的结果只是把小数测的更准确，整数不知道。未知数的系数是决定了这个解能不能更好?它基本的量是到卫星的方向。这样看问题可能不是很清晰，测第一个卫星组的时候，N在方程式里面，测第二颗卫星的时候，第一颗卫星模糊参数就不在里面了，也就是说，要结算模糊参数，只对你所测的卫星才有贡献，其它的卫星对这个是没有贡献的。
改变一下顺顺序，观测时间长，系数(卫星方向)变化大，解的稳定性好。
三、定位定向仪
这个设备只用一台接收机，固定在一个可以旋转的臂上，旋臂旋转，采样的时候同步记录转的角度。观测卫星的同时记录转角在哪儿?解算是度盘零点的方位角。我们的度盘有个零，零是指向某一个方向的，要解算的就是度盘零点的方位角。一旦把零点方位角解算出来，那么设备瞄准任意一个方向都可以从度盘上直接读得它的方位角。(演示)接收机本来在一个旋臂上，转不同的角度指向应该是有不同的变化，接收机是正面，面板始终朝着一个方向，
四、工作原理
如果单个接收机旋转过程中观测的时候我们可以建立一个观测方程。(方程)就是不含零点的方位角，T1、T2、T3，是观测过程中所记录的转角，系数包括旋臂转角正旋或者余旋参数。方程中待估参数D。的系数含旋臂转角的余弦函数因子。
五、实验
观测时间2分46秒，采样频率每秒5次，数据处理时间5秒，定位精度是0.45密位，这个0.45密位的取得和传统测定大体方位角进行比较的。定位精度是3.5米，测试样本数量167个，也就是测了167次，统计结果是0.45密位。测试样本数量一半是在厦门做的，一半是在郑州做的。这是基本要求，原来要求3分钟我们就测了3分钟。
在此基础上我们想能不能改变一下观测时间，比如缩短观测时间。某一个测段，测一次大概需要3分钟左右的时间，包括五个双周，如果只取第三个双周统计，观测时间只有30秒，这样看看它的精度如何?还有一个是加长观测时间。取三个相邻测段，大概是8分钟，看看它的精度如何?也就是说如果要求精度可以加长观测时间，如果要求快速我可以缩短观测时间。
我们按照标准3分钟的时间，测段数167，精度密位0.45，如果缩短到33.4秒，进行104次测试，它的精度是0.97密位，也符合炮兵一个密位的要求。如果加长观测时段到8分18秒，测段只有43个，精度密位是0.25。根据这个实验情况，我们做一下估计，如果增加采样频率，可起到加长时段的效果，可以提高精度，但是这只是估计的，没有实验证明这一点。
六、技术特点
可以用于任何卫星到很系统，因为我们在方位解算的时候只用到了卫星位置和载波相位观测量，因此不管是GPS还是北斗都可以使用这种方法。
单接收机旋转快速定向
方程系数变化迅速，提高采样率可以缩短观测时间
单接收机比较经济、适用于大用户群。设备主要成本在于接收机，如果用两个接收机成本会大大提高。这是比较适合于大用户群，比如炮兵。
解算度盘0点指向的方位
不解算两点间的方位，可以得到任意指向的方位。
便于方位传递。适合于快速、多阵地联测。一台设备可以解决多炮位的问题，同时也节省时间。
这种方法可以消除天线相位中心的偏差。它是同一个天线指向是恒定的，相位中心就是卫星测量的天线，它的中心不是几何中心，是相位中心，是飘忽不定的，这会造成很主要的误差点，尤其是近距离的时候。这和什么有关?和卫星的指向有关，卫星不同的方向天线漂的地方不一样，因此造成比较主要的误差。这个方法不同的天线也不一样，不同卫星的方向也不一样，用同一个类型的天线，指向也是恒定的。比如接收机包括天线始终保持同一个指向，这样就可以消除天线相位中心的偏差。这点尤其适用于抗干扰天线。现在天线相位中心做的比较考究，据大量观测数据可以到2毫米左右(国产)的，2毫米对于基线长度是1米的，甚至可能带里一两个历位的误差。当然可以做的更好，但是有一个问题，我们现在用卫星做军事应用最大的问题就是抗干扰的问题。威胁信号是很微弱的，一旦有展示行动对方肯定会干扰，这时候就要用抗干扰天线解决问题。抗干扰天线接受是多单元的，因此相位中心不可能很好。既然保证抗干扰性能，就是可以任意指向增意等于0，要保证抗干扰，那么很难同时保证相位中心还保持稳定。所以这对抗干扰天线来讲，也就是说它的相位中心误差比较大的时候，效果比较明显。
削弱多路径影响。
设备无需精确整平。整平也很费时间，又要对中、又要整个平均，这个既不对中也不整平，它的姿态是作为系统误差参与解算。如果需要的话还可以把姿态解算出来。
七、有待改进
这个工作现在还没有完全做完，我们觉得有些地方还需要进一步做工作。一个是结构上的改进。一个悬臂图看起来还是可以的，但是把这个设备装了箱提着它到处跑还是很困难的，还是比较大。它需要是便携的适合于野战要求的。
国产双系统接收机：需要相应软件的改进。因为我们刚才做的那些实验都是用GPS做的，那时候还没有北斗，现在有条件了，我们也要进行相应的实验。
位置、方位信息的传递。很简便的利用电子或者是光学的，通过通讯手段解决，不用跑来跑去。
典型用户试用：比如说炮兵、雷达，先用用看有什么需要改进的地方。
谢谢大家!
(此为报告人现场发言速记记录，未经报告人本人审核。)
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