動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下艦船航向真值測量方法研究及應(yīng)用*

宋 杰 孫 興

(91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023)

1 引言

在艦載武器系統(tǒng)導(dǎo)航精度試驗(yàn)中為了將艦船導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差從武器系統(tǒng)瞄準(zhǔn)誤差中分離出來,要對艦船在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下的航向真值進(jìn)行測量。目前,用于艦船航向真值測量的方法有GPS測量法和手動(dòng)光學(xué)測量法。

GPS測量法的原理是,在載體的艏艉線兩端和橫搖方向上,分別安裝精密GPS測量系統(tǒng)。這種方法能夠在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行連續(xù)測量,從而得到完整的航向曲線。但該方法存在下面三個(gè)問題:1)由于GPS本身存在較大的高程誤差,因此在解算過程中進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)會(huì)引入誤差;2)GPS測量法的精度不僅取決于GPS系統(tǒng)定位精度,更取決于兩天線之間的連線長度,由于載體的長度有限,因此連線長度受載體尺寸限制而不能達(dá)到理想距離,影響了測量的總體精度;3)兩GPS天線之間的連線與載體的艏艉線之間的夾角很難標(biāo)定出來[1]。

手動(dòng)光學(xué)測量法的原理是在載體上安裝高精度的Lecia經(jīng)緯儀,通過對瞄將經(jīng)緯儀的測量光軸與載體艏艉線建立起關(guān)系,再用經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)已知岸標(biāo),通過解算得到精確的載體航向。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高,但不足的是:1)僅能在艦船系泊狀態(tài)下進(jìn)行,受環(huán)境影響較大,不適合動(dòng)態(tài)測量;2)手動(dòng)測量人工讀數(shù)獲取的測點(diǎn)有限,且沒有時(shí)間基準(zhǔn),繪制的航向曲線與慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的航向較難比較[2]。

艦載武器系統(tǒng)導(dǎo)航精度試驗(yàn)中所要求的艦船航向真值測量必須是在動(dòng)態(tài)條件下的艦船航向真值測量,其測量精度必須滿足武器系統(tǒng)試驗(yàn)的要求。由于GPS測量和手動(dòng)光學(xué)測量兩種載體航向測量方法均不能適合這一要求,所以本文提出了一種新型的測量方法-目標(biāo)真值測量法,該方法利用對特定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤來反推艦船航向真值,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下艦船航向真值的高精度連續(xù)測量。測量精度滿足武器系統(tǒng)試驗(yàn)的要求,并已成功應(yīng)用于某型武器系統(tǒng)導(dǎo)航精度試驗(yàn)。

2 目標(biāo)真值測量法的測量原理及系統(tǒng)組成

2.1 測量原理

目標(biāo)真值測量法采用帶有電視自動(dòng)跟蹤功能的小型電視經(jīng)緯儀搭載在艦船上,測量出經(jīng)緯儀坐標(biāo)系與艦船坐標(biāo)系間的誤差,使二者建立聯(lián)系。用經(jīng)緯儀跟蹤鎖定已知(大地坐標(biāo))目標(biāo),得到艦船艏艉線與瞄準(zhǔn)線之間的夾角Ac,由精密GPS測定經(jīng)緯儀測量中心坐標(biāo),經(jīng)過大地解算得到瞄準(zhǔn)線的大地方位角Ag,測量載體姿態(tài)角通過坐標(biāo)變換將兩個(gè)角變換到艦船坐標(biāo)系下,最后進(jìn)行矢量疊加即可得到艦船的艏艉線與大地真北的角度即航向真值。測量原理如圖1所示。

圖1 目標(biāo)真值法測量艦船航向真值示意圖

2.2 系統(tǒng)組成及功能

測量系統(tǒng)由以下幾部分組成:小型光學(xué)電視跟蹤經(jīng)緯儀,負(fù)責(zé)在動(dòng)態(tài)條件下跟蹤測量已知方位標(biāo),輸出方位角和俯仰角;差分GPS系統(tǒng),負(fù)責(zé)在動(dòng)態(tài)條件下對載體進(jìn)行定位,通過差分處理給出經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系的大地坐標(biāo);數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng),負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)記錄載體慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)信息;時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)(簡稱時(shí)統(tǒng)),負(fù)責(zé)給各測量系統(tǒng)提供一致的時(shí)間基準(zhǔn)。

3 目標(biāo)真值測量法的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 動(dòng)態(tài)條件下高精度連續(xù)測量技術(shù)

目標(biāo)真值法利用小型電視經(jīng)緯儀跟蹤特定目標(biāo)并結(jié)合GPS定位系統(tǒng),完成對艦船在動(dòng)態(tài)(帶有橫搖、縱搖和偏航姿態(tài)的航行)條件下航向真值的測量。同時(shí),選用帶電視自動(dòng)跟蹤功能的光電經(jīng)緯儀進(jìn)行測量實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)條件下的艦船航向連續(xù)測量。

艦船艏艉線與已知(大地坐標(biāo))目標(biāo)的夾角Ac由電視自動(dòng)跟蹤經(jīng)緯儀測量得到。配有電視跟蹤器的光電經(jīng)緯儀可以在動(dòng)態(tài)條件下鎖定并跟蹤目標(biāo),系統(tǒng)光學(xué)鏡頭具備遠(yuǎn)距離探測能力,可以將瞄準(zhǔn)線(即GPS方法中兩個(gè)GPS間的連線)延長數(shù)倍,以提高測量精度。以驅(qū)逐艦為例,艏艉長度一般不超過150m,利用GPS測量法的瞄準(zhǔn)線長度也只能是150m,而光電經(jīng)緯儀探測距離可達(dá)15km甚至更遠(yuǎn),其瞄準(zhǔn)線長度被延長了100倍。在這種情況下假設(shè)GPS定位誤差為1m,造成GPS測量法中的瞄準(zhǔn)線與真北夾角即Ag角的誤差為0.382°,而目標(biāo)真值法中該角的誤差僅為13.8″。

3.2 數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

目標(biāo)真值法以時(shí)間作為統(tǒng)一基準(zhǔn),通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式將建立在不同坐標(biāo)系下的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下;利用姿態(tài)修正的方法減小了載體運(yùn)動(dòng)帶來的測量誤差。通過這些數(shù)據(jù)處理方式,提高了試驗(yàn)精度。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 目標(biāo)真值法數(shù)據(jù)處理流程示意圖

目標(biāo)真值法的原始數(shù)據(jù)有:經(jīng)緯儀測量的方位角和俯仰角,差分GPS測量的大地經(jīng)緯度,慣導(dǎo)輸出的載體姿態(tài)角及基準(zhǔn)引建測量所得到的三個(gè)艦船姿態(tài)角(即經(jīng)緯儀坐標(biāo)系與艦船坐標(biāo)系OX,OY,OZ夾角),其中,經(jīng)緯儀測量角、GPS大地經(jīng)緯度和慣導(dǎo)姿態(tài)角為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),基準(zhǔn)引建的三個(gè)角度值為靜態(tài)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來自不同的系統(tǒng),其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均不相同。在數(shù)據(jù)處理的過程中采用了融合處理的方法。以時(shí)間作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一基準(zhǔn),各系統(tǒng)采用的時(shí)間基準(zhǔn)相同但頻率不同,根據(jù)數(shù)據(jù)來源不同采用不同的差值方式使其得到了頻率上的統(tǒng)一;經(jīng)緯儀測量角基于的坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系不同,通過基準(zhǔn)引建的數(shù)據(jù)利用坐標(biāo)變換的方法使經(jīng)緯儀測量角變換成載體測量角;在坐標(biāo)系統(tǒng)一后,再利用載體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,使每組數(shù)據(jù)成為“靜態(tài)”數(shù)據(jù)并最終轉(zhuǎn)換成基于大地坐標(biāo)系的角度值;最后加入GPS與岸標(biāo)經(jīng)過大地解算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量疊加得出了載體動(dòng)態(tài)的航向真值[3～4]。

3.3 動(dòng)態(tài)測量精度分配技術(shù)

為了滿足各試驗(yàn)所要求的動(dòng)態(tài)航向測量精度,將精度分配的方法引入到動(dòng)態(tài)測量領(lǐng)域,即在試驗(yàn)中根據(jù)不同試驗(yàn)的總精度要求,對實(shí)施測量的各部分的精度進(jìn)行合理的分配。在精度分配過程中,在對各測量設(shè)備允許的誤差進(jìn)行嚴(yán)格限制的同時(shí)還要考慮工程實(shí)際中的不可預(yù)知性[5]。

表1是對測量的各部分進(jìn)行分析研究后,在中科院有關(guān)的多位專家的幫助指導(dǎo)下,計(jì)算得到的誤差分配結(jié)果。

表1 誤差分配表

4 應(yīng)用

目標(biāo)真值測量法測量動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下艦船航向真值已成功應(yīng)用于某型武器系統(tǒng)導(dǎo)航精度試驗(yàn)中,很好地完成了測量任務(wù)。在試驗(yàn)應(yīng)用中各設(shè)備誤差如表2所示。

表2 某型任務(wù)中目標(biāo)真值法涉及設(shè)備誤差表

根據(jù)3.3節(jié)精度分配原則,計(jì)算出B類不確定度試驗(yàn)規(guī)定的精度。采用本方法與試驗(yàn)艦船平臺羅經(jīng)測量航向結(jié)果比對如圖3、4所示。

從圖3、4中可以看出該研究方法所解算出的真值航向變化趨勢與試驗(yàn)艦載平臺羅經(jīng)輸出航向角變化一致。

5 結(jié)語

目標(biāo)真值測量法實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下艦船航向真值的高精度連續(xù)測量,為導(dǎo)航精度試驗(yàn)提供了新方法。經(jīng)試驗(yàn)表明該方法所標(biāo)定載體的航向精度高,時(shí)效性強(qiáng),不僅適合各種艦艇使用,同時(shí)能夠適應(yīng)直升機(jī)或大型運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)使用,具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]田力軍,丁楠.通過GPS測量船舶航向原理研究[J].科技信息,2008(26):275～276

[2]王習(xí)文,陳娟.光電經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的一種確定方法[J].2009(2):156～160

[3]楊萬海.多傳感器數(shù)據(jù)融合及其應(yīng)用[M].西安.西安電子科技大學(xué)出版社出版,2001

[4]張華偉.數(shù)據(jù)融合算法研究及DSP實(shí)現(xiàn)武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2009(2):84～86

[5]尚磊云.基于方差分析的M onte-Carlo制導(dǎo)精度分配方法研究[J].飛行力學(xué),2009(6):93～96