周文輝，閔柏成

(1.解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著干涉儀測(cè)向技術(shù)、單比特頻域多波束測(cè)向技術(shù)等在艦載雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備的方位測(cè)量誤差越來(lái)越小，這就對(duì)組織試驗(yàn)考核提出了更高的要求。外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，受被試設(shè)備臨時(shí)安裝條件的影響，雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向天線安裝位置與試驗(yàn)平臺(tái)艏艉線不平行而引起偏離一定的角度；雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向天線與提供艦位信息、航向姿態(tài)的試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線位置不一致等，都會(huì)造成一定的系統(tǒng)誤差，這種誤差對(duì)雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備的測(cè)向精度考核結(jié)果造成較大偏差[1-2]。因此，需要測(cè)量計(jì)算出系統(tǒng)誤差并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，以消除和減弱系統(tǒng)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因分析

外場(chǎng)進(jìn)行雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向精度試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生誤差的原因多種多樣，主要有以下幾個(gè)方面：測(cè)量設(shè)備本身的誤差、被試設(shè)備的安裝誤差、人為操作使用不當(dāng)引起的誤差、測(cè)量條件不正?；驕y(cè)量環(huán)境變化影響引起的誤差等。有的誤差可以避免，有的誤差需要進(jìn)行修正和處理，下面主要從被試設(shè)備安裝誤差、被試設(shè)備測(cè)向天線與試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線位置誤差、陪試設(shè)備大地坐標(biāo)標(biāo)定誤差3個(gè)方面進(jìn)行分析論述。

1.1 被試設(shè)備安裝誤差

被試設(shè)備安裝在艦船試驗(yàn)平臺(tái)上，理想情況是被試設(shè)備的測(cè)向天線中心線與艦船試驗(yàn)平臺(tái)艏艉線連線平行，此條件下不存在被試設(shè)備安裝誤差，對(duì)測(cè)向精度試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。實(shí)際上，由于受到試驗(yàn)平臺(tái)條件的限制，被試設(shè)備測(cè)向天線的安裝不可能是理想狀態(tài)，總是存在安裝誤差，即被試設(shè)備的測(cè)向天線中心線與艦船試驗(yàn)平臺(tái)艏艉線連線的方向存在一個(gè)固定的角度，如圖1所示。在這種情況下，對(duì)測(cè)向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，就需要加上(或減去)一個(gè)固定系統(tǒng)誤差Δθ[2]。

圖1 測(cè)向天線安裝示意圖

1.2 被試設(shè)備測(cè)向天線與試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線位置誤差

雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向天線一般安裝在艦船試驗(yàn)平臺(tái)的主桅桿上，要求四周無(wú)遮擋，而提供艦位信息、航向姿態(tài)的試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的天線在安裝位置上受到多種因素的限制，只能選擇合適的位置架設(shè)，且GPS天線的軸向盡量要與艦船試驗(yàn)平臺(tái)的艏艉線連線平行，二者之間存在著一定的安裝距離，如圖2所示。以試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線2所在點(diǎn)位置參數(shù)作為被試設(shè)備位置來(lái)解算舷角作為真值，這樣就產(chǎn)生了偏心觀測(cè)誤差，誤差大小隨著艦船位置及航向變化而變化[3]。

圖2 測(cè)向天線與GPS天線位置誤差示意圖

1.3 陪試設(shè)備大地坐標(biāo)標(biāo)定誤差

雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向精度試驗(yàn)采用的真值是由試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)提供，利用GPS天線所在的位置參數(shù)和陪試?yán)走_(dá)的大地坐標(biāo)來(lái)解算艦船試驗(yàn)平臺(tái)與岸站陪試?yán)走_(dá)的舷角作為真值。由于陪試?yán)走_(dá)位置標(biāo)定存在誤差，解算出的舷角存在偏心誤差[4]。

2 系統(tǒng)誤差修正方法

2.1 被試設(shè)備安裝誤差修正

2.1.1 誤差修正設(shè)備

在綜合處理外場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)向精度測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，可以利用全站儀對(duì)被試?yán)走_(dá)對(duì)抗設(shè)備安裝誤差進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。全站儀，全稱全站式電子測(cè)距儀，是一種集經(jīng)緯儀、電子測(cè)距儀、外部計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)為一體的現(xiàn)代光學(xué)電子測(cè)量?jī)x器。它可以在一個(gè)站位完成水平角、垂直角、距離、高差測(cè)量等全部工作。全站儀通過(guò)電子光學(xué)掃描鐫刻在鏡片上的十字劃分板來(lái)測(cè)量角度，精度可以達(dá)到0.5 s。測(cè)距則是以安裝在同軸望遠(yuǎn)鏡的光敏二極管以一定光學(xué)路徑發(fā)出調(diào)制微波或紅外線信號(hào)，通過(guò)測(cè)量點(diǎn)的直角棱鏡反射后通過(guò)相同的光學(xué)路徑返回并被分光棱鏡傳遞至傳感器以接收回饋，通過(guò)計(jì)算原始信號(hào)與反射信號(hào)的相位差來(lái)計(jì)算路程的遠(yuǎn)近，它的測(cè)距可以達(dá)到0.1 mm的精度。

2.1.2 誤差修正原理

假設(shè)AB為被試?yán)走_(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向天線的安裝基線，OM為試驗(yàn)平臺(tái)艏艉線，如圖3所示。

圖3 誤差修正原理示意圖

則被試?yán)走_(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向天線安裝基線AB與試驗(yàn)平臺(tái)艏艉線OM的夾角為：

(1)

式中：l1為OA水平距離；l2為OB水平距離；α為OA方位角；β為OB方位角。

2.1.3 誤差修正方法

在對(duì)某型艦載雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備進(jìn)行誤差標(biāo)定時(shí)，具體標(biāo)定測(cè)量架設(shè)位置如圖4所示。

圖4 標(biāo)定架設(shè)位置示意圖

全站儀架設(shè)于碼頭上，位于被試設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)左前方。測(cè)量點(diǎn)1、2為試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線的架設(shè)點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)3、4為右舷天線安裝螺孔，測(cè)量點(diǎn)5、6為左舷天線安裝螺孔。分別測(cè)量6個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離全站儀的方位、距離、俯仰角，計(jì)算系統(tǒng)安裝誤差如表1所示。在計(jì)算過(guò)程中，以試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線架設(shè)點(diǎn)連線作為試驗(yàn)平臺(tái)的航向姿態(tài)基準(zhǔn)線，分別計(jì)算左右舷測(cè)向天線相對(duì)GPS天線連線的夾角，在實(shí)際數(shù)據(jù)綜合處理時(shí)，左右舷測(cè)向數(shù)據(jù)分別加上(或減去)對(duì)應(yīng)偏軸誤差。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)表

2.2 被試設(shè)備測(cè)向天線與試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線位置誤差修正

2.2.1 誤差修正設(shè)備

利用全站儀及試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)綜合處理計(jì)算。

2.2.2 誤差修正方法

提供艦位信息、航向姿態(tài)的試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線安裝時(shí)盡量在試驗(yàn)平臺(tái)艦船艏艉線上，末端天線所在點(diǎn)與被試設(shè)備測(cè)向天線存在一定安裝距離，以末端天線所在點(diǎn)位置參數(shù)作為被試設(shè)備天線位置來(lái)解算舷角作為真值，解算出的角度與實(shí)際角度有一定的誤差，被試設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)航行到某一位置時(shí)，各位置角度與距離如圖5所示。

圖5 誤差修正方法示意圖

試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)GPS天線1架設(shè)在艦艏，GPS天線2架設(shè)在前甲板，與被試設(shè)備測(cè)向天線3點(diǎn)位置固定。設(shè)被試設(shè)備測(cè)向天線與試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)天線位置誤差為α，利用全站儀測(cè)量出被試設(shè)備測(cè)向天線中心和試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)GPS天線2連線的距離L1，測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)GPS天線連線延長(zhǎng)線與L1的夾角γ。試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可提供岸站參試?yán)走_(dá)與GPS天線2的距離L2及測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)GPS天線連線與L2的夾角β(β是個(gè)變化量)，簡(jiǎn)化圖形如圖6所示。

圖6 誤差修正方法簡(jiǎn)化示意圖

根據(jù)余弦定理可得出：

(L3)2=(L1)2+(L2)2-2L1L2cosρ

(2)

式中：ρ=180°-β+γ。

根據(jù)正弦定理：

(3)

可得出誤差α為：

(4)

式中：β是個(gè)變化量，隨著試驗(yàn)平臺(tái)的位置和航向變化而變化。

在做測(cè)向原始數(shù)據(jù)綜合處理時(shí)，應(yīng)對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的測(cè)向數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行修正，修正時(shí)要注意修正誤差角度時(shí)的象限變化。

2.3 陪試設(shè)備大地坐標(biāo)標(biāo)定誤差修正

雖然岸站陪試?yán)走_(dá)位置標(biāo)定存在誤差，但由于標(biāo)定誤差甚小，對(duì)測(cè)向精度影響程度不大，可忽略不計(jì)。為避免誤差的產(chǎn)生，在做試驗(yàn)準(zhǔn)備前，需要提供高精度的大地點(diǎn)位置坐標(biāo)，并將陪試?yán)走_(dá)設(shè)備放置在大地點(diǎn)坐標(biāo)上，將標(biāo)定誤差降至最低。

3 系統(tǒng)誤差修正比對(duì)

通過(guò)上述分析測(cè)向精度試驗(yàn)中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差種類和原因及修正方法，測(cè)量完成修正各系統(tǒng)誤差所需的數(shù)據(jù)，編寫“測(cè)向精度處理程序”，完成對(duì)測(cè)向數(shù)據(jù)中存在的這些系統(tǒng)誤差分析、奇異數(shù)據(jù)的剔除、誤差修正等，最終得到測(cè)向精度結(jié)果。

現(xiàn)舉例說(shuō)明在對(duì)某一新型雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向精度動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合試驗(yàn)處理。測(cè)試某型陪試?yán)走_(dá)，實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)1 474點(diǎn)，未經(jīng)過(guò)任何處理時(shí)測(cè)向精度為6.15°(r.m.s)；剔除明顯奇異數(shù)據(jù)5點(diǎn)，測(cè)向精度為5.47°(r.m.s)；對(duì)剩余1 448點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，去除被試設(shè)備安裝誤差及被試設(shè)備測(cè)向天線與提供艦位信息、航向姿態(tài)的試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)GPS天線位置誤差，最后得出有效的測(cè)向精度為2.63°(r.m.s)，滿足該雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合處理的結(jié)果可以看出，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)誤差的修正，可消除測(cè)量設(shè)備或被試設(shè)備安裝系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)向精度的影響；根據(jù)萊特準(zhǔn)則剔除明顯奇異數(shù)據(jù)，可消除其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，得到精確的量化結(jié)果，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖7、圖8和圖9分別為該雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理前后誤差曲線圖。

圖7 原始數(shù)據(jù)測(cè)向精度曲線圖

圖8 剔除明顯奇異數(shù)據(jù)測(cè)向精度曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中影響艦載雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備測(cè)向精度的幾種原因，闡述了誤差修正的原理和方法，對(duì)大量的測(cè)向精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用綜合處理方法，利用“測(cè)向精度處理程序”完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中存在的系統(tǒng)誤差分析、誤差修正、奇異數(shù)據(jù)剔除等，減小系統(tǒng)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，確保試驗(yàn)結(jié)果的可信度，對(duì)艦載雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備的測(cè)向精度結(jié)果評(píng)估更為精確、合理。

圖9 系統(tǒng)誤差綜合處理后測(cè)向精度曲線圖