甲板變形對目標探測的影響分析與估計*

孫海英，潘江懷

（1.煙臺大學(xué)文經(jīng)學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)艦裝配了各種傳感器和武器系統(tǒng)，它們所獨立使用的姿態(tài)基準由于受到各種外部條件的影響，例如其在艦船上的分布位置、所處的海況和船體自身結(jié)構(gòu)的變化和特性等，以及姿態(tài)基準自身的測量元件精度的約束，其精度明顯降低。有些傳感器和火控系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)一致地工作，比如雷達和導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)，而它們分別使用的獨立姿態(tài)基準使得這一要求難以滿足[1]。因此，需要將這些姿態(tài)基準統(tǒng)一到一個具有高精度的參考坐標系，以提高各局部姿態(tài)基準的精度和反應(yīng)能力，提升各武器系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度[2]。

艦載傳感器穩(wěn)定平臺需要實時獲得艦艇縱/橫搖角以補償艦艇搖擺的影響，準確的平臺實時姿態(tài)信息都是艦載傳感器賴以正常工作的基礎(chǔ)。如果艦艇為絕對剛體，則平臺所有部位的姿態(tài)艏向都是一致的[3]，這種情況下，平臺導(dǎo)航中心主慣性設(shè)備輸出的姿態(tài)航向信息對所有部位都是準確的[4]。然而實際中艦艇不可能是一個絕對剛體，在自身載荷以及風(fēng)浪、日曬等諸多因素的作用下，艦艇將不可避免地發(fā)生變形，從而導(dǎo)致各部位與導(dǎo)航中心姿態(tài)艏向的失配[5-8]。

根據(jù)特點的不同，艦艇甲板變形可以分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形兩類[9]。靜態(tài)變形主要由所載貨物和燃料的變化及船體不均勻日曬等因素引起[10]。動態(tài)變形主要由海浪的沖擊、飛機的起降、船體運動干擾及人為操作等因素引起[11-12]。在某船實際甲板變形測量中，靜態(tài)情況下甲板的變形最高值達1°～1.5°；在航行狀態(tài)下，縱搖軸的變形為0.05°～0.08°，橫搖軸的變形為 0.17°～0.2°。由此可見，艦船甲板的變形很大，足以成為影響艦載雷達探測精度的主要因素之一[13-14]。

其中，甲板變形其值高達1°～1.5°，航向角的變形可能有幾個角分，縱搖角的變形達幾十角分，橫搖角的變形為幾分之一角分。英國的D.H.Titterton等人也曾指出艦船上負載變化和結(jié)構(gòu)老化均將導(dǎo)致船體變形，在太陽的作用下，一天之內(nèi)可能產(chǎn)生1°左右的變化。我國曾對某型船在6級海況下航行時的變形進行測量，縱搖軸的變形為0.05°～0.08°，橫搖軸的變形為0.17°～0.2°。由此可見，艦船甲板的變形很大，足以成為影響艦載雷達探測精度的主要因素之一。

本文分析了甲板變形對艦載傳感器探測目標的影響，并提出一種基于合作目標的甲板變形估計方法，為消除甲板變形對傳感器目標定位的影響提供理論依據(jù)。

1 甲板變形對目標探測的影響分析

理想情況下，艦載傳感器測量坐標系與甲板坐標系重合，但由于甲板變形，兩坐標系之間存在旋轉(zhuǎn)變換，則甲板坐標系到平臺地理坐標系轉(zhuǎn)換為：

其中，Rbs為傳感器測量坐標系轉(zhuǎn)換到艦艇甲板坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，為傳感器到艦艇甲板中心的基線。通常情況下其轉(zhuǎn)換的歐拉角比較小，Rbs可以近似表示為：

在傳感器甲板坐標系下，可得：

因此，甲板變形引起傳感器探測系統(tǒng)誤差為：

對于不同仰角的誤差最大值：

通常情況下安裝、零位漂移、載體變形引起的誤差不會太大，表1列出了在給定甲板變形情況下引起傳感器探測最大測向誤差計算，僅計算了一種典型的情況。

表1 典型的情況下甲板變形誤差引起的最大測向誤差

傳感器安裝完成之后，一般來說（γb，ψb，θb）為一個恒定值，可以通過儀器精確測量。如果在確知其大小的情況下，可以通過式（5）進行補償修正。

2 基于合作目標的甲板變形估計方法

通常情況下，海上艦艇編隊各平臺之間的距離不是太遠，處于各自傳感器的探測范圍之內(nèi)。根據(jù)編隊內(nèi)其他平臺報知的GPS/北斗定位信息或者民用AIS/ADS信息（統(tǒng)稱為合作目標），以此為真值來估計甲板變形。不考慮平臺的定位誤差，雷達數(shù)據(jù)采用高精度的跟蹤雷達數(shù)據(jù)，其探測誤差也可以忽略，則在甲板坐標系下，傳感器探測與合作目標信息有如下關(guān)系：

在有多組觀測數(shù)據(jù)的情況下，根據(jù)式（8），甲板變形估計可描述為如下形式的最小二乘估計問題：

3 仿真驗證

圖3～圖5分別為對甲板艏向、縱向和橫向3個方向變形的估計結(jié)果，從估計結(jié)果可以看出，在采樣點400時，最終估計出來的甲板艏向、縱向和橫向 3 個方向變形值分別為 0.202°、0.096°、0.103°，采用最終的估計結(jié)果可以分別消除甲板變形艏向、縱向和橫向3個方向變形的99%、96%、97%誤差，能較大地提高傳感器探測跟蹤目標的精度，是一種估計甲板變形非常有效的方法。

4 結(jié)論

本文分析了甲板變形對目標探測的影響，以艦載傳感器為例給出了典型情況下甲板變形誤差引起的最大測向誤差，并提出了一種基于合作目標的甲板變形估計方法，該方法可以實時地估計甲板變形，僅需要我方飛機作為合作目標進行配合進行即可，平常的演習(xí)試驗就可以完成甲板變形的估計，避免了采用精密儀器測量變形所需要的環(huán)境要求較高且不及時，對甲板變形估計是一種較為適用的方法。