基于浮船塢的航天測(cè)量船測(cè)量設(shè)備標(biāo)定方法

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

1 引 言

航天測(cè)量船是我國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)的重要組成部分，綜合測(cè)控能力強(qiáng)，有效彌補(bǔ)了我國(guó)國(guó)土面積有限而無(wú)法提供全程覆蓋的不足[1]。航天測(cè)量船采用單站定位體制，對(duì)測(cè)量設(shè)備的誤差參數(shù)標(biāo)定提出了很高的要求。

傳統(tǒng)干船塢標(biāo)定是讓測(cè)量船進(jìn)船塢坐墩，并在船塢四周建立方位標(biāo)等設(shè)施，以真地平和大地測(cè)量

成果為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行全面標(biāo)定[2]。其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)定精度高，缺點(diǎn)是周期長(zhǎng)、成本高和協(xié)調(diào)量大[3]。

針對(duì)干船塢標(biāo)定的局限性，文獻(xiàn)[4]提出了應(yīng)用經(jīng)緯儀與雷達(dá)同步測(cè)星的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，理論求解精度較高，但工程應(yīng)用重復(fù)精度低；文獻(xiàn)[5]提出了基于大地測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的雷達(dá)零位標(biāo)校方法，但該方法未考慮船體姿態(tài)的影響。

本文提出了一種新的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，通過(guò)建立誤差參數(shù)標(biāo)定的水平和方位基準(zhǔn)，采用激光全站儀、高精度水平測(cè)量?jī)x等儀器，綜合利用船姿測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了船載測(cè)量設(shè)備的高精度動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

2 浮船塢環(huán)境及標(biāo)定特點(diǎn)

“浮船塢”就是建在水上的能夠修、造船的平臺(tái)。浮船塢設(shè)有幾十個(gè)壓載水艙，通過(guò)調(diào)各艙的壓載水可以調(diào)塢的水平[1]。

受風(fēng)浪和漲落潮的影響，浮船塢的位置和姿態(tài)在不停地變化。由于浮船塢比較大，而長(zhǎng)江中波浪的波長(zhǎng)較短，振幅也較小，所以對(duì)姿態(tài)的影響不大[1]。

浮船塢雖然沒(méi)有劇烈的搖擺運(yùn)動(dòng)，但其姿態(tài)和位置在不停地變化，所以浮船塢條件下的標(biāo)定屬于動(dòng)基座標(biāo)定，與常規(guī)干船塢(以下簡(jiǎn)稱(chēng)干船塢)內(nèi)的標(biāo)定相比，有其自己的技術(shù)特點(diǎn)：

(1)在干船塢內(nèi)要求測(cè)量船坐墩的置平度滿足一定要求，對(duì)塢墩的排列要求很高；而浮船塢可以通過(guò)調(diào)塢的壓載水來(lái)保證船的置平度，所以要求浮船塢有較強(qiáng)的調(diào)水平能力；

(2)干船塢標(biāo)定時(shí)，以測(cè)量船艏艉線為測(cè)量設(shè)備的方位參考基準(zhǔn)，以大地水平面為水平參考基準(zhǔn)；浮船塢標(biāo)定時(shí)仍以測(cè)量船艏艉線為方位參考基準(zhǔn)，而以測(cè)量船船體基準(zhǔn)平臺(tái)為水平參考基準(zhǔn)。

3 方案設(shè)計(jì)

本方法的標(biāo)定項(xiàng)目包括船姿測(cè)量設(shè)備電氣零位、雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)不水平度、雷達(dá)方位角零值和俯仰角零值。

3.1 標(biāo)定設(shè)施

主要標(biāo)定設(shè)施包括：

(1)在浮船塢周?chē)O(shè)置若干方位標(biāo)；

(2)在浮船塢附近設(shè)置3個(gè)大地測(cè)量控制點(diǎn)，其中一個(gè)作為主控點(diǎn)(用于放置激光全站儀)，另外兩個(gè)作為副控點(diǎn)，控制點(diǎn)應(yīng)具有三等大地測(cè)量控制網(wǎng)精度。

3.2 船進(jìn)浮船塢坐墩

船進(jìn)浮船塢坐墩要求如下：

(1)船進(jìn)塢前，需在塢底按測(cè)量船的底部形狀排列塢墩；

(2)在測(cè)量船船體基準(zhǔn)平臺(tái)的縱、橫向各放置一臺(tái)水平儀，觀測(cè)船體縱、橫搖值；

(3)船坐墩后，調(diào)整浮船塢的壓載水，使浮船塢的水平調(diào)整到最佳狀態(tài)，要求縱傾優(yōu)于30″，橫傾優(yōu)于60″。

3.3 標(biāo)定時(shí)段

標(biāo)定時(shí)應(yīng)避開(kāi)潮水換向時(shí)段。

3.4 船姿測(cè)量設(shè)備縱、橫搖電氣零位標(biāo)定

要求以船體基準(zhǔn)平臺(tái)為參考基準(zhǔn)標(biāo)定船姿測(cè)量設(shè)備縱、橫搖電氣零位，該項(xiàng)目應(yīng)安排在雷達(dá)項(xiàng)目標(biāo)定前標(biāo)定。步驟如下：

(1)在船體基準(zhǔn)平臺(tái)的縱、橫向各放一臺(tái)水平儀；

(2)船姿測(cè)量設(shè)備啟動(dòng)，正常校，并保持最佳工作狀態(tài)；

(3)同步讀取ti時(shí)刻船體基準(zhǔn)平臺(tái)水平儀的縱、橫搖讀數(shù)ψ平臺(tái)i、θ平臺(tái)i和船姿測(cè)量設(shè)備縱、橫搖讀數(shù)ψ羅經(jīng)i、θ羅經(jīng)i；

(4)按步驟3重復(fù)5次以上；

(5)按下式計(jì)算船姿測(cè)量設(shè)備縱、橫搖電氣零位ψ0、θ0：

ψ0i=ψ羅經(jīng)i-ψ平臺(tái)i

(1)

θ0i=θ羅經(jīng)i-θ平臺(tái)i

(2)

(3)

(4)

式中，ψ0i、θ0i分別為ti時(shí)刻船姿測(cè)量設(shè)備縱搖零位和橫搖零位；ψ0、θ0分別為最終標(biāo)定的船姿測(cè)量設(shè)備縱搖零位和橫搖零位；i為重復(fù)測(cè)量次數(shù)，i=1,2,3，…,n,n≥5。

3.5 雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)不水平度標(biāo)定

要求以船體基準(zhǔn)平臺(tái)為參考基準(zhǔn)標(biāo)定雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)不水平度，步驟如下：

(1)在方位轉(zhuǎn)盤(pán)平臺(tái)上放一臺(tái)水平儀；

(2)在船體基準(zhǔn)平臺(tái)上放一臺(tái)水平儀；

(3)雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)方位從0°開(kāi)始，每轉(zhuǎn)30°讀取雷達(dá)方位編碼器讀數(shù)Ai、雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)水平儀讀數(shù)M雷達(dá)i，船體基準(zhǔn)平臺(tái)水平儀在方位上與雷達(dá)的方位轉(zhuǎn)盤(pán)旋同樣角度，并與方位轉(zhuǎn)盤(pán)上的水平儀同步讀數(shù)M基i，直到360°；

(4)利用最小二乘法[6]按下式擬合出雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)相對(duì)船體基準(zhǔn)平臺(tái)的最大傾斜量βm和最大傾斜量所在的方位角Am：

M雷達(dá)i-M基i=M0+βmcos(Ai-Am)

(5)

式中，M0為雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)平臺(tái)水平儀與船體基準(zhǔn)平臺(tái)水平儀初始零位之差。

3.6 雷達(dá)角度零值標(biāo)定

雷達(dá)角度零值標(biāo)定應(yīng)在船姿測(cè)量設(shè)備縱、橫搖電氣零位標(biāo)定和雷達(dá)方位轉(zhuǎn)盤(pán)不水平度標(biāo)定之后進(jìn)行。方法是用船姿測(cè)量設(shè)備的輸出值作為船的航向、水平基準(zhǔn)，大地測(cè)量給出方位標(biāo)相對(duì)雷達(dá)三軸中心的大地方位角和俯仰角，同時(shí)記錄雷達(dá)標(biāo)校電視瞄方位標(biāo)時(shí)方位和俯仰編碼器讀數(shù)，綜合求解雷達(dá)方位、俯仰零值。參加設(shè)備有激光全站儀、雷達(dá)、船姿測(cè)量設(shè)備。步驟如下：

(1)在雷達(dá)三軸中心上方安裝激光全站儀的合作目標(biāo)和標(biāo)志燈，標(biāo)志燈應(yīng)正確位于方位旋轉(zhuǎn)軸上，并提供激光全站儀合作目標(biāo)、標(biāo)志燈與三軸中心的相對(duì)位置尺寸；

(2)在大地測(cè)量主控點(diǎn)上放置一臺(tái)激光全站儀，觀測(cè)主控點(diǎn)到雷達(dá)三軸中心的水平角、高低角和距離，利用方位標(biāo)和控制點(diǎn)的已知大地測(cè)量成果，計(jì)算雷達(dá)三軸中心至方位標(biāo)的大地方位角A0大地和大地俯仰角E0大地以及斜距R0。要求每1 min或2 min觀測(cè)一次，利用每次觀測(cè)數(shù)據(jù)給出一組計(jì)算值：ti、A0大地i、E0大地i、R0i；

(3)船姿測(cè)量設(shè)備提前開(kāi)機(jī)，使整機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。在時(shí)統(tǒng)的控制下，錄取并打印船姿測(cè)量設(shè)備輸出的姿態(tài)測(cè)量值ti、Ki、ψi、θi；

(4)雷達(dá)用標(biāo)校電視瞄準(zhǔn)方位標(biāo)，瞄準(zhǔn)方位標(biāo)后方位、俯仰固定，記錄方位、俯仰編碼器輸出值A(chǔ)i、Ei，每1 min或2 min錄取并打印一次時(shí)間ti和標(biāo)校電視脫靶量ΔAi、ΔEi；

(5)按下式對(duì)雷達(dá)的測(cè)量值進(jìn)行修正后得到A甲i和E甲i：

A甲i=Ai+(ΔAi-Svi)×secEi-

βm×sin(Ai-Am)×tgEi

(6)

E甲i=Ei+ΔEi-Sei-βm×cos(Ai-Am)

(7)

式中，βm為方位轉(zhuǎn)盤(pán)最大傾斜量；Am為最大傾斜量所在的方位角；Ai、Ei分別為ti時(shí)刻方位編碼器輸出值和俯仰編碼器輸出值；ΔAi、ΔEi分別為ti時(shí)刻標(biāo)校電視方位脫靶量和俯仰脫靶量；Svi、Sei分別為由大地測(cè)量提供的ti時(shí)刻雷達(dá)標(biāo)校電視相對(duì)于方位標(biāo)的方位角改正數(shù)和俯仰角改正數(shù)；

(6)利用由步驟5得到的A甲i、E甲i，計(jì)算ti時(shí)刻方位標(biāo)在以雷達(dá)三軸中心為原點(diǎn)的地平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量：

(8)

(9)

其中：

式中，X1i、Y1i、Z1i為ti時(shí)刻方位標(biāo)在以雷達(dá)三軸中心為原點(diǎn)的甲板坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量，X2i、Y2i、Z2i為ti時(shí)刻方位標(biāo)在以雷達(dá)三軸中心為原點(diǎn)的地平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量，R0i為大地測(cè)量提供的ti時(shí)刻雷達(dá)三軸中心至方位標(biāo)的斜距，Ki、ψi、θi為ti時(shí)刻船姿測(cè)量設(shè)備輸出的船體姿態(tài)角；

(7)由X2i、Y2i、Z2i按下式計(jì)算ti時(shí)刻方位標(biāo)在以雷達(dá)三軸中心為原點(diǎn)的地平坐標(biāo)系中的Ri、A地平i、E地平i：

(10)

E地平i=arcsin(Y2i/Ri)

(11)

(12)

(8)由步驟7得到的A地平i、E地平i與步驟2得到的大地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)雷達(dá)的方位角、俯仰角系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，則系統(tǒng)誤差即為雷達(dá)的方位零值和俯仰零值，隨機(jī)誤差反映標(biāo)定精度：

A0i=A地平i-A0大地i

(13)

(14)

(15)

E0i=E地平i-E0大地i

(16)

(17)

(18)

式中，A0i、E0i分別為ti時(shí)刻數(shù)據(jù)計(jì)算得到的雷達(dá)方位零值和俯仰零值；A0、E0分別為最終標(biāo)定的雷達(dá)方位零值和俯仰零值；A地平i、E地平i分別為ti時(shí)刻方位標(biāo)在以雷達(dá)三軸中心為原點(diǎn)的地平坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角；A0大地i、E0大地i分別為ti時(shí)刻大地測(cè)量獲得的方位標(biāo)至雷達(dá)三軸中心的大地方位角和大地俯仰角；σA0、σE0分別為雷達(dá)方位角零值標(biāo)定隨機(jī)誤差和俯仰角零值標(biāo)定隨機(jī)誤差；n為有效測(cè)量數(shù)據(jù)組數(shù)，n=1,2,3,…,n≥30。

4 應(yīng)用效果分析

某測(cè)量船主要測(cè)量設(shè)備包括測(cè)量雷達(dá)和用于船舶姿態(tài)測(cè)量的平臺(tái)羅經(jīng)，經(jīng)過(guò)了大規(guī)模技術(shù)改造后，采用以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。

4.1 標(biāo)定結(jié)果

圖1 方位零值標(biāo)定結(jié)果Fig.1 The azimuth-zero calibrated

圖2 俯仰零值標(biāo)定結(jié)果Fig.2 The elevation-zero calibrated

標(biāo)定精度主要體現(xiàn)在雷達(dá)角度零值的標(biāo)定中，圖1、圖2為雷達(dá)零值標(biāo)定結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為有效測(cè)量數(shù)據(jù)組數(shù)，縱坐標(biāo)為零值標(biāo)定值。實(shí)線和虛線分別表示不同時(shí)間段的標(biāo)定結(jié)果。

數(shù)據(jù)處理表明，標(biāo)定的方位零值隨機(jī)誤差約為編碼器測(cè)角誤差的3倍，俯仰零值隨機(jī)誤差約為編碼器測(cè)角誤差的2倍，滿足航天測(cè)量任務(wù)對(duì)標(biāo)校精度要求。

4.2 誤差分析

與常規(guī)干船塢標(biāo)定相比，該方法隨機(jī)誤差稍大，主要原因包括標(biāo)校各設(shè)備數(shù)據(jù)錄取時(shí)間同步誤差和船姿測(cè)量誤差。

5 結(jié) 論

本文解決了動(dòng)態(tài)條件下航天測(cè)量船測(cè)量設(shè)備標(biāo)定技術(shù)難題，具有簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，標(biāo)定精度滿足航天測(cè)量任務(wù)要求，已在工程上得到成功應(yīng)用。本方法可推廣到其它船載測(cè)量設(shè)備的高精度標(biāo)定中。

通過(guò)建立數(shù)據(jù)錄取同步采樣系統(tǒng)，同時(shí)提高船姿船位測(cè)量精度，可進(jìn)一步提高本方法的標(biāo)定精度。

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