宋 杰 孫 興

(91550部隊91分隊 大連 116023)

1 引言

在艦載武器系統(tǒng)導(dǎo)航精度試驗中為了將艦船導(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)變換時會引入誤差;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,不適合動態(tài)測量;2)手動測量人工讀數(shù)獲取的測點有限,且沒有時間基準(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)航精度試驗中所要求的艦船航向真值測量必須是在動態(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)試驗的要求。由于GPS測量和手動光學(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,實現(xiàn)了動態(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。

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)實時記錄載體慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)信息;時間統(tǒng)一系統(tǒng)(簡稱時統(tǒng)),負(fù)責(zé)給各測量系統(tǒng)提供一致的時間基準(zhǔn)。

3 目標(biāo)真值測量法的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 動態(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,選用帶電視自動跟蹤功能的光電經(jīng)緯儀進(jìn)行測量實現(xiàn)了動態(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動帶來的測量誤差。通過這些數(shù)據(jù)處理方式,提高了試驗精度。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)角為動態(tài)數(shù)據(jù),基準(zhǔn)引建的三個角度值為靜態(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。以時間作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一基準(zhǔn),各系統(tǒng)采用的時間基準(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態(tài)的航向真值[3～4]。

3.3 動態(tài)測量精度分配技術(shù)

為了滿足各試驗所要求的動態(tài)航向測量精度,將精度分配的方法引入到動態(tài)測量領(lǐng)域,即在試驗中根據(jù)不同試驗的總精度要求,對實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)格限制的同時還要考慮工程實際中的不可預(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)航精度試驗中,很好地完成了測量任務(wù)。在試驗應(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,計算出B類不確定度試驗規(guī)定的精度。采用本方法與試驗艦船平臺羅經(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)真值測量法實現(xiàn)了動態(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)航精度試驗提供了新方法。經(jīng)試驗表明該方法所標(biāo)定載體的航向精度高,時效性強,不僅適合各種艦艇使用,同時能夠適應(yīng)直升機或大型運輸機、轟炸機使用,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)運動參數(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實現(xiàn)武漢理工大學(xué)學(xué)報[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