航天測(cè)量船角度系統(tǒng)誤差偏大問題的分析與解決?

陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

航天測(cè)量船角度系統(tǒng)誤差偏大問題的分析與解決?

陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431）

在測(cè)量船某型號(hào)任務(wù)的數(shù)據(jù)處理過程中，通過比對(duì)兩套外測(cè)設(shè)備的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)方位角的系統(tǒng)誤差偏大。針對(duì)設(shè)備嚴(yán)重超出精度指標(biāo)的問題，通過進(jìn)一步的試算，利用箭載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，仔細(xì)分析了引起方位角系統(tǒng)誤差偏大的各種因素，逐步排查后找出了問題原因，并由船載設(shè)備進(jìn)行修正。通過排查分析，驗(yàn)證了船載設(shè)備零值修正處理方法的正確性，為船載系統(tǒng)類似問題的解決積累了經(jīng)驗(yàn)。

航天測(cè)量船；數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)誤差；方位角測(cè)量；零值修正

1 問題的提出

海上測(cè)控的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)飛行的彈道數(shù)據(jù)，為型號(hào)任務(wù)發(fā)射測(cè)控的組織指揮與決策提供依據(jù)。外測(cè)精度是衡量目標(biāo)外彈道測(cè)量水平的重要指標(biāo)，也是測(cè)量船系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。在某型號(hào)任務(wù)中，將測(cè)量船兩套外測(cè)設(shè)備A和B的測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)轉(zhuǎn)到慣導(dǎo)地平系，發(fā)現(xiàn)兩套設(shè)備的方位角系統(tǒng)誤差相差數(shù)十倍，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及利用外彈道參數(shù)測(cè)軌的精確度，需認(rèn)真分析原因，找到解決方法。

2 測(cè)角誤差的影響

在海上測(cè)量任務(wù)中，影響測(cè)量精度的因素主要有站址誤差、電波（光波）折射誤差、測(cè)量元素誤差、時(shí)間不同步誤差、光速測(cè)不準(zhǔn)誤差。在這5項(xiàng)誤差中，我們主要分析測(cè)量元素誤差對(duì)測(cè)量精度的影響［1］。

船上跟蹤測(cè)量設(shè)備采用的是單站定位體制，測(cè)量元素為R、E、A，定位原理如圖1所示。

t時(shí)刻目標(biāo)在測(cè)量坐標(biāo)系中的位置是將極坐標(biāo)投影到直角坐標(biāo)中的3個(gè)分量，其函數(shù)關(guān)系為

假設(shè)測(cè)量元素的誤差分別為σR、σE、σA，根據(jù)誤差傳播規(guī)律，可以得到目標(biāo)的位置誤差（均方差）為σxs、σys、σzs。

海上測(cè)量數(shù)據(jù)中的測(cè)角誤差，除跟蹤測(cè)量設(shè)備本身的測(cè)角誤差外，還要加船體姿態(tài)（即基座的姿態(tài)）測(cè)量誤差。從式（2）可以看出，角度誤差對(duì)位置誤差的影響隨著距離的增加而增加，這是由測(cè)量體制所決定的。測(cè)角誤差對(duì)船載測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量精度有直接影響，必須找出誤差源予以消除。

3 故障設(shè)備定位過程

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為保證數(shù)據(jù)通信及測(cè)量設(shè)備提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在原始數(shù)據(jù)復(fù)原后必須進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要是判別是否存在偏大或偏小而不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)據(jù)、明顯的跳點(diǎn)、抖動(dòng)以及野值等，這些異常值必定引起數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)誤差的偏大［2］。本次任務(wù)中通過最小二乘法統(tǒng)計(jì)隨機(jī)誤差，采用繪圖法檢查設(shè)備A、B的數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了直觀地表達(dá)出原始數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，我們利用兩套設(shè)備的原始數(shù)據(jù)繪制了原始、一階、二階差分圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，兩套設(shè)備原始數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，并沒有發(fā)現(xiàn)有跳點(diǎn)、抖動(dòng)、野值等異常數(shù)據(jù)，這就排除了數(shù)據(jù)質(zhì)量引起誤差偏大的原因，需要繼續(xù)進(jìn)行分析。

3.2 兩套外測(cè)設(shè)備比對(duì)

將一條測(cè)量船上的A套和B套設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換到慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系［3］，具體公式為

式中，B（c）為進(jìn)行船姿修正時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，B（b）為進(jìn)行船體變形修正時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。i= c，b1，b2，b3，再由(x，y，z)解算目標(biāo)在公共坐標(biāo)系下的

由于星箭分離后設(shè)備A和B跟蹤目標(biāo)不一致（A跟蹤衛(wèi)星，B跟蹤火箭），我們只將星箭分離前的160 s數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

根據(jù)總聯(lián)文件約定的測(cè)量船精度指標(biāo)要求，船載設(shè)備B方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標(biāo)要求20多倍，設(shè)備A方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標(biāo)要求近10倍，由此得出此系統(tǒng)誤差不管是因?yàn)槟奶自O(shè)備引起的，都嚴(yán)重超出了精度指標(biāo)。

3.3 外測(cè)設(shè)備與衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)比對(duì)

從比對(duì)結(jié)果我們得出結(jié)論：設(shè)備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差接近，基本符合精度指標(biāo)要求，而設(shè)備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差超過指標(biāo)要求近10倍。設(shè)備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差和設(shè)備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差之間的差值正好為兩設(shè)備比對(duì)的系統(tǒng)誤差，由此可判斷設(shè)備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。

4 誤差原因分析

通過船載測(cè)控系統(tǒng)與箭載GPS數(shù)據(jù)的比對(duì)，我們確定了測(cè)控設(shè)備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。下面具體分析引起這個(gè)誤差的原因。通過查閱外測(cè)數(shù)據(jù)處理模型可知，設(shè)備A與設(shè)備B測(cè)角數(shù)據(jù)處理流程基本一致，因此可以排除船搖、變形、電波折射（對(duì)方位無影響）的影響，需要從參數(shù)配置、系統(tǒng)誤差修正模型、零值修正方法中查找問題［5］。

4.1 系統(tǒng)誤差修正

角度量的系統(tǒng)誤差修正主要包括天線座水平誤差、方位軸和俯仰軸垂直誤差、光機(jī)軸不平行誤差、動(dòng)態(tài)滯后誤差和天線重力變形誤差。系統(tǒng)誤差修正模型如下：

式中，ΔEZ為俯仰動(dòng)態(tài)滯后，ΔAZ為方位動(dòng)態(tài)滯后，ΔEg為重力下垂量（若無重力下垂，計(jì)算時(shí)置0），R′、E′、A′為軸系誤差修正后的觀測(cè)資料。

從上面的修正公式中可以得出數(shù)據(jù)處理過程需要配置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)：大盤不水平最大傾斜量βm，大盤不水平最大傾斜方向Am，俯仰軸／方位軸不正交度δm，俯仰軸／光軸不正交Sb，光電偏差Cs和Ce。這些值大部分都是在塢內(nèi)標(biāo)校和海上校飛過程中經(jīng)過多次檢測(cè)最終確定的，任務(wù)中基本不做改動(dòng)；而光電偏差Cs和Ce的最終確定，是在任務(wù)前用跟蹤標(biāo)定球的方法進(jìn)行標(biāo)定獲取的。經(jīng)了解，本次任務(wù)中光電偏差值的標(biāo)定方法與以往一致，可排除光電偏差使用錯(cuò)誤的可能性。

我們將測(cè)量船實(shí)戰(zhàn)任務(wù)中實(shí)時(shí)發(fā)往西安衛(wèi)星測(cè)控中心的設(shè)備B瞬時(shí)站址數(shù)據(jù)（1點(diǎn)／秒）與事后處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)與事后記錄數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果一致，說明系統(tǒng)誤差修正的參數(shù)設(shè)置沒有問題。這就排除了事后數(shù)據(jù)處理中系統(tǒng)誤差修正環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置出錯(cuò)的可能性。難道是標(biāo)定參數(shù)有變化？需要繼續(xù)進(jìn)行分析。

設(shè)備A、設(shè)備B與箭載GPS比對(duì)的方位角系統(tǒng)誤差殘差如圖3所示。

從圖3可以看出，兩條殘差曲線變化趨勢(shì)基本一致，存在的問題有以下兩個(gè)。

（1）航捷點(diǎn)處殘差變化趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)滯后一致

經(jīng)過分析，設(shè)備數(shù)據(jù)本身在航捷點(diǎn)處有動(dòng)態(tài)滯后問題，而箭載GPS數(shù)據(jù)沒有動(dòng)態(tài)滯后，事后數(shù)據(jù)處理過程中兩套設(shè)備均未進(jìn)行動(dòng)態(tài)滯后誤差修正。我們將設(shè)備與GPS數(shù)據(jù)作差后，殘差曲線的動(dòng)態(tài)滯后情況與圖3中航捷點(diǎn)以外的曲線變化趨勢(shì)一致。

（2）數(shù)據(jù)存在固定偏差

圖3中兩條殘差曲線一直存在一個(gè)固定偏差，排除了重力下垂、光電偏差量計(jì)算方法的問題。從偏差的大小來看，零值修正可能是引起系統(tǒng)誤差的原因。

4.2 零值修正

4.2.1 方位角度零位記憶裝置

將TH010經(jīng)緯儀安裝在天線規(guī)定位置上，使其位于設(shè)備方位旋轉(zhuǎn)中心，并仔細(xì)調(diào)整，使經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)盤平面與設(shè)備的方位轉(zhuǎn)盤平面平行。被測(cè)天線順時(shí)針或逆時(shí)針（應(yīng)只選擇一個(gè)方向）轉(zhuǎn)動(dòng)方位，對(duì)準(zhǔn)方位刻線后讓天線方位靜止。TH010經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)一個(gè)距離大于1 km、仰角接近0°的目標(biāo)，讀取方位軸角編碼器讀數(shù)Acoi和TH010經(jīng)緯儀讀數(shù)Aji。重復(fù)對(duì)刻線5次以上。

在塢內(nèi)標(biāo)校時(shí)，對(duì)角度零位記憶裝置的指向（記憶值）和重復(fù)精度進(jìn)行了標(biāo)定。記住了這個(gè)記憶值就等于記住了坐標(biāo)取齊時(shí)軸角編碼器的位置，等于記住了設(shè)備的甲板零位。這是測(cè)量船出塢后在海上實(shí)現(xiàn)無方位標(biāo)、無標(biāo)校塔標(biāo)的重要技術(shù)措施。

4.2.2 問題分析

在塢內(nèi)標(biāo)校時(shí)，對(duì)設(shè)備B方位、俯仰刻線的指向和重復(fù)精度進(jìn)行了標(biāo)定。在海上執(zhí)行任務(wù)前，只要對(duì)準(zhǔn)方位、俯仰刻線，軸角編碼器保持塢內(nèi)標(biāo)定的記憶值不變，就保持了設(shè)備的方位、俯仰零位。我們查看設(shè)備B在任務(wù)中的方位零值與設(shè)備最近一次塢內(nèi)標(biāo)校結(jié)果基本一致，既然設(shè)備的零值與標(biāo)校結(jié)果一致，難道是零值本身發(fā)生了變化引起的誤差？我們來分析這種可能性。

對(duì)測(cè)量船而言，由于從起航點(diǎn)到測(cè)量海域需要經(jīng)過漫長(zhǎng)的航渡過程，在此期間，設(shè)備將在風(fēng)吹浪打中經(jīng)受沖擊、振動(dòng)、溫差、鹽霧腐蝕等多種惡劣環(huán)境的影響，因此而產(chǎn)生的設(shè)備故障和技術(shù)狀態(tài)改變是不可避免的［6］。為了明確方位零值是否發(fā)生了變化，我們與設(shè)備研制方人員進(jìn)行了交流，了解到本次任務(wù)出航前，測(cè)量船設(shè)備B對(duì)刻線時(shí)發(fā)現(xiàn)方位零位記憶裝置有松動(dòng)，技術(shù)人員對(duì)方位的零位記憶裝置進(jìn)行了拆卸，發(fā)現(xiàn)在刻線基準(zhǔn)下有大量的干黃油、鐵銹，清洗后進(jìn)行了重新安裝。由于零位記憶裝置有定位銷固定，重新安裝后基本恢復(fù)到原位置，于是按塢內(nèi)標(biāo)校成果調(diào)整了碼盤值作為記憶基準(zhǔn)。出海后，先后進(jìn)行了4次對(duì)刻線檢查，方位零位一直穩(wěn)定、重復(fù)性好。但是，查閱了以往對(duì)刻線的歷史記錄后可以看出：從前一次任務(wù)后到本次任務(wù)時(shí)，設(shè)備B方位對(duì)刻線時(shí)碼盤累計(jì)調(diào)整量增大了近10倍，這個(gè)數(shù)值與本次任務(wù)事后數(shù)據(jù)處理的結(jié)果相當(dāng)，而且前一次任務(wù)設(shè)備A與設(shè)備B方位角比對(duì)殘差的系統(tǒng)誤差是符合精度指標(biāo)的。

據(jù)此，基本可以認(rèn)為設(shè)備B在此次任務(wù)中方位角系統(tǒng)誤差偏大的原因是其方位零位發(fā)生了變化，具體原因是刻線受黃油、鐵銹等影響產(chǎn)生了扭曲變形所致。

問題已經(jīng)基本明確，我們將設(shè)備B方位零值修正后重新進(jìn)行外測(cè)數(shù)據(jù)事后處理，兩套外測(cè)設(shè)備方位角比對(duì)殘差的系統(tǒng)誤差由原來超出精度指標(biāo)數(shù)十倍減小為零點(diǎn)幾倍，數(shù)值在精度允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

在后續(xù)的海上測(cè)量任務(wù)中，將設(shè)備B方位零值按修正值進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備A與設(shè)備B之間方位角比對(duì)殘差的系統(tǒng)誤差在精度指標(biāo)允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了上述修改方位零值的正確性。目前，測(cè)量船設(shè)備B的方位零位經(jīng)多次對(duì)刻線檢查，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足實(shí)際測(cè)量任務(wù)的需要。

［1］劉利生.外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)處理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

LIU Li-sheng.Data Processing of Exterior Trajectory［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2002.（in Chinese）

［2］李輝芬，張忠華，朱偉康，等.船載設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)處理結(jié)果的綜合分析方法［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2008，27（6）：65-70.

LIHui-fen，ZHANG Zhong-hua，ZHUWei-kang，et al. The Exterior Tracking＆Measuring Data Analyzing and Processing of Instrumentation Ship［J］.Journal of Spacecraft TT＆CTechnology，2008，27（6）：65-70.（in Chinese）

［3］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.基于比對(duì)分析技術(shù)的船載設(shè)備故障分析［J］.無線電工程，2009，39（4）：30-35.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Ship-borne Equipments of FaultAnalysis Based on Comparison Analysis Technique［J］.Radio Engineering of China，2009，39（4）：30-35.（in Chinese）

［4］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.船載USB瞬時(shí)站址殘差異常情況分析［J］.電訊技術(shù)，2010，50（2）：57-62.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Exceptional Phenomenon Analysis of Instrumentation Ship′s USB Residual Error［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（2）：57-62.（in Chinese）

［5］李輝芬，周錦標(biāo)，何劍偉，等.航天測(cè)量船外測(cè)數(shù)據(jù)異常值自適應(yīng)處理算法設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51（4）：54-59.

LIHui-Fen，ZHOU Jin-biao，HE Jian-wei，et al.Adaptive Processing of Abnormal Value in Measured Data by Space Tracking Ship［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（4）：54-59.（in Chinese）

［6］江文達(dá).航天測(cè)量船［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：13-129.

JIANGWen-da.Space Tracking Ships［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2002：13-129.（in Chinese）

CHEN Hong-ying was born in Yingshan，Sichuan Province，in 1982.She received the B.S.degree in 2005.She is now an engineer.Her research concernsmaritime measurement data processing and precision analysis.

李輝芬（1968—），女，云南人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事海上測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作；

LIHui-fen was born in Yunan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concernsmaritimemeasurement data processing.

吳君（1982—），男，江蘇人，工程師，長(zhǎng)期從事海上測(cè)控設(shè)備研究方面的工作；

WU Jun was born in Jiangsu Province，in 1982.He is now an engineer.His research concernsmaritime TT＆C equipment.

Email：wujun2001＠sina.com

楊磊（1983—），男，甘肅人，工程師，長(zhǎng)期從事海上測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作。

YANG Leiwasborn in Gansu Province，in 1983.He isnow an engineer.His research concernsmaritimemeasu rement data processing.

Analysis of and Solution to Relatively Large Azimuth System Error Problem in a Task by Space TT＆C Ship

CHEN Hong-ying，LIHui-fen，WU Jun，YANG Lei
（China Satellite Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

In data processing of a task by space TT＆C ship，it is found out that the azimuth error is relatively large through comparing the data of twomeasurementequipment.By calculating and comparing the data of rocket -borne GPS，possible factors causing the large azimuth error are analysed and the reason is found.The error is corrected by equipment onboard ship.The zero-value correctionmethod proposed is validated through investigation and analysis，which provides reference for such problems.

space TT＆C ship；data processing；system error；azimuthmeasurement；zero-value correction

TN911；V55

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.015

陳紅英（1982—），女，四川營(yíng)山人，2005年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｉ蠝y(cè)量數(shù)據(jù)處理與精度分析；

1001-893X（2011）10-0071-05

2011-05-31；

2011-08-11