動態環境條件下艦船航向真值測量方法研究及應用*

宋 杰 孫 興

(91550部隊91分隊 大連 116023)

1 引言

在艦載武器系統導航精度試驗中為了將艦船導航系統產生的誤差從武器系統瞄準誤差中分離出來,要對艦船在動態環境條件下的航向真值進行測量。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。這種方法能夠在動態條件下進行連續測量,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行坐標變換時會引入誤差;2)GPS測量法的精度不僅取決于GPS系統定位精度,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定出來[1]。

手動光學測量法的原理是在載體上安裝高精度的Lecia經緯儀,通過對瞄將經緯儀的測量光軸與載體艏艉線建立起關系,再用經緯儀瞄準已知岸標,通過解算得到精確的載體航向。這種方法的優點是測量精度高,但不足的是:1)僅能在艦船系泊狀態下進行,受環境影響較大,不適合動態測量;2)手動測量人工讀數獲取的測點有限,且沒有時間基準,繪制的航向曲線與慣導系統輸出的航向較難比較[2]。

艦載武器系統導航精度試驗中所要求的艦船航向真值測量必須是在動態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試驗的要求。由于GPS測量和手動光學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-目標真值測量法,該方法利用對特定目標進行跟蹤來反推艦船航向真值,實現了動態環境條件下艦船航向真值的高精度連續測量。測量精度滿足武器系統試驗的要求,并已成功應用于某型武器系統導航精度試驗。

2 目標真值測量法的測量原理及系統組成

2.1 測量原理

目標真值測量法采用帶有電視自動跟蹤功能的小型電視經緯儀搭載在艦船上,測量出經緯儀坐標系與艦船坐標系間的誤差,使二者建立聯系。用經緯儀跟蹤鎖定已知(大地坐標)目標,得到艦船艏艉線與瞄準線之間的夾角Ac,由精密GPS測定經緯儀測量中心坐標,經過大地解算得到瞄準線的大地方位角Ag,測量載體姿態角通過坐標變換將兩個角變換到艦船坐標系下,最后進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 目標真值法測量艦船航向真值示意圖

2.2 系統組成及功能

測量系統由以下幾部分組成:小型光學電視跟蹤經緯儀,負責在動態條件下跟蹤測量已知方位標,輸出方位角和俯仰角;差分GPS系統,負責在動態條件下對載體進行定位,通過差分處理給出經緯儀測量坐標系的大地坐標;數據錄取系統,負責實時記錄載體慣導輸出的姿態信息;時間統一系統(簡稱時統),負責給各測量系統提供一致的時間基準。

3 目標真值測量法的關鍵技術

3.1 動態條件下高精度連續測量技術

目標真值法利用小型電視經緯儀跟蹤特定目標并結合GPS定位系統,完成對艦船在動態(帶有橫搖、縱搖和偏航姿態的航行)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緯儀進行測量實現了動態條件下的艦船航向連續測量。

艦船艏艉線與已知(大地坐標)目標的夾角Ac由電視自動跟蹤經緯儀測量得到。配有電視跟蹤器的光電經緯儀可以在動態條件下鎖定并跟蹤目標,系統光學鏡頭具備遠距離探測能力,可以將瞄準線(即GPS方法中兩個GPS間的連線)延長數倍,以提高測量精度。以驅逐艦為例,艏艉長度一般不超過150m,利用GPS測量法的瞄準線長度也只能是150m,而光電經緯儀探測距離可達15km甚至更遠,其瞄準線長度被延長了100倍。在這種情況下假設GPS定位誤差為1m,造成GPS測量法中的瞄準線與真北夾角即Ag角的誤差為0.382°,而目標真值法中該角的誤差僅為13.8″。

3.2 數據融合的數據處理技術

目標真值法以時間作為統一基準,通過坐標轉換方式將建立在不同坐標系下的測量數據統一到同一坐標系下;利用姿態修正的方法減小了載體運動帶來的測量誤差。通過這些數據處理方式,提高了試驗精度。數據處理流程如圖2所示。

圖2 目標真值法數據處理流程示意圖

目標真值法的原始數據有:經緯儀測量的方位角和俯仰角,差分GPS測量的大地經緯度,慣導輸出的載體姿態角及基準引建測量所得到的三個艦船姿態角(即經緯儀坐標系與艦船坐標系OX,OY,OZ夾角),其中,經緯儀測量角、GPS大地經緯度和慣導姿態角為動態數據,基準引建的三個角度值為靜態數據,這些數據來自不同的系統,其數據結構均不相同。在數據處理的過程中采用了融合處理的方法。以時間作為數據統一基準,各系統采用的時間基準相同但頻率不同,根據數據來源不同采用不同的差值方式使其得到了頻率上的統一;經緯儀測量角基于的坐標系與載體坐標系不同,通過基準引建的數據利用坐標變換的方法使經緯儀測量角變換成載體測量角;在坐標系統一后,再利用載體姿態數據進行修正,使每組數據成為“靜態”數據并最終轉換成基于大地坐標系的角度值;最后加入GPS與岸標經過大地解算后的數據進行矢量疊加得出了載體動態的航向真值[3～4]。

3.3 動態測量精度分配技術

為了滿足各試驗所要求的動態航向測量精度,將精度分配的方法引入到動態測量領域,即在試驗中根據不同試驗的總精度要求,對實施測量的各部分的精度進行合理的分配。在精度分配過程中,在對各測量設備允許的誤差進行嚴格限制的同時還要考慮工程實際中的不可預知性[5]。

表1是對測量的各部分進行分析研究后,在中科院有關的多位專家的幫助指導下,計算得到的誤差分配結果。

表1 誤差分配表

4 應用

目標真值測量法測量動態環境條件下艦船航向真值已成功應用于某型武器系統導航精度試驗中,很好地完成了測量任務。在試驗應用中各設備誤差如表2所示。

表2 某型任務中目標真值法涉及設備誤差表

根據3.3節精度分配原則,計算出B類不確定度試驗規定的精度。采用本方法與試驗艦船平臺羅經測量航向結果比對如圖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輸出航向角變化一致。

5 結語

目標真值測量法實現了動態環境條件下艦船航向真值的高精度連續測量,為導航精度試驗提供了新方法。經試驗表明該方法所標定載體的航向精度高,時效性強,不僅適合各種艦艇使用,同時能夠適應直升機或大型運輸機、轟炸機使用,具有廣泛的應用前景。

[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]王習文,陳娟.光電經緯儀跟蹤目標運動參數的一種確定方法[J].2009(2):156～160

[3]楊萬海.多傳感器數據融合及其應用[M].西安.西安電子科技大學出版社出版,2001

[4]張華偉.數據融合算法研究及DSP實現武漢理工大學學報[J].2009(2):84～86

[5]尚磊云.基于方差分析的M onte-Carlo制導精度分配方法研究[J].飛行力學,2009(6):93～96