船載光電經(jīng)緯儀塢外星體標(biāo)校

馬慶坤,喬彥峰

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春130033; 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)

船載光電經(jīng)緯儀塢外星體標(biāo)校

馬慶坤1,2,喬彥峰1

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春130033; 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)

為了適應(yīng)海上應(yīng)用并降低經(jīng)緯儀塢內(nèi)標(biāo)校成本,采用恒星位置代替固定方位標(biāo),將原本在塢內(nèi)的標(biāo)校工作轉(zhuǎn)移到海上。首先,根據(jù)恒星星表精確、實(shí)時(shí)地計(jì)算出恒星位置。然后,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法將其位置值轉(zhuǎn)化到測(cè)量系下,運(yùn)用船搖自穩(wěn)定算法保證經(jīng)緯儀的正常跟蹤并記錄數(shù)據(jù)。最后,根據(jù)事后解算算法分析記錄數(shù)據(jù),分離設(shè)備單項(xiàng)差并計(jì)算系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,海上星校單項(xiàng)差的標(biāo)定與塢內(nèi)通過(guò)方位標(biāo)標(biāo)定結(jié)果非常接近,照準(zhǔn)差、水平差、垂直差的偏差分別為0.015″、0.22″和0.014″,系統(tǒng)誤差的標(biāo)定與塢內(nèi)結(jié)果具有很好的一致性,完全能夠滿足經(jīng)緯儀海上標(biāo)校的要求。

光電經(jīng)緯儀;塢外恒星標(biāo)校;解算

1 引言

傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀標(biāo)校需要建立多個(gè)方位標(biāo),用精確的大地測(cè)量方法確定方位標(biāo)到待標(biāo)校經(jīng)緯儀的方位和俯仰角位置,然后與經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì),實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀自身的標(biāo)定。該方法自動(dòng)化程度不高,耗資較多。

恒星的位置可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出來(lái),且精度很高。利用這種恒星位置的確知性,以精確的恒星位置代替方位標(biāo)來(lái)標(biāo)定經(jīng)緯儀的各單項(xiàng)差,方法簡(jiǎn)單且自動(dòng)化程度高,目前這種方法已在國(guó)內(nèi)外的許多靶場(chǎng)開始應(yīng)用,效果很好。

以精確的恒星位置為基準(zhǔn),對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的經(jīng)緯儀進(jìn)行精度標(biāo)校,目前有迫切的應(yīng)用需求。例如航天測(cè)量船船載光電經(jīng)緯儀在海上情況下,無(wú)法人工建立測(cè)量基準(zhǔn)標(biāo)。如果測(cè)量任務(wù)前在海上被迫進(jìn)行了軸系或零位調(diào)整,也只有用星校的方法,才能在一定精度內(nèi)對(duì)軸系和零位進(jìn)行重新標(biāo)定。在海上動(dòng)態(tài)情況下,通常只好利用星體標(biāo)校法在測(cè)量任務(wù)前后實(shí)現(xiàn)船載經(jīng)緯儀軸系差、零位差的標(biāo)定,監(jiān)視經(jīng)緯儀自身的軸系及零位誤差,為事后分析測(cè)量精度提供必要依據(jù)。另外,航天測(cè)量船船載經(jīng)緯儀的常規(guī)標(biāo)校需要定期進(jìn)入船塢,坐墩后在船塢周圍建立方位標(biāo),再用大地測(cè)量的方法精確測(cè)定方位標(biāo)作為測(cè)量基準(zhǔn),整個(gè)過(guò)程至少要半個(gè)月,費(fèi)用巨大。星體標(biāo)校方法可以在不進(jìn)塢的條件下實(shí)現(xiàn)標(biāo)校,甚至在測(cè)控任務(wù)的航渡期間就可完成,自動(dòng)化程度高,耗費(fèi)時(shí)間短,因而有望取代塢內(nèi)標(biāo)校。

本文介紹了遠(yuǎn)洋測(cè)量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀的海上標(biāo)校實(shí)驗(yàn),具體試驗(yàn)環(huán)境要求為:時(shí)間統(tǒng)一勤務(wù)系統(tǒng)提供時(shí)間統(tǒng)一服務(wù),GPS定位系統(tǒng)提供平臺(tái)實(shí)時(shí)位置,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供平臺(tái)實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)變形測(cè)量系統(tǒng)提供平臺(tái)實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù),跟蹤伺服系統(tǒng)完成船搖自穩(wěn)定跟蹤。整體過(guò)程大致如下:首先利用 FK5星表選擇合適的恒星,經(jīng)緯儀測(cè)量電視跟蹤測(cè)量數(shù)顆恒星并記錄數(shù)據(jù),再利用FK5星表和測(cè)量時(shí)記錄的各幀時(shí)間碼、平臺(tái)GPS位置數(shù)據(jù)、平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算恒星的理論位置數(shù)據(jù),與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作差,利用適當(dāng)?shù)牟罘帜Ｐ颓蠼?進(jìn)而完成標(biāo)校。標(biāo)校結(jié)果表明,海上星校單項(xiàng)差的標(biāo)定與塢內(nèi)通過(guò)方位標(biāo)標(biāo)定的結(jié)果非常接近,且方法簡(jiǎn)單易行,有望取代塢內(nèi)標(biāo)校。

2 工作原理

2.1 獲取恒星理論位置

星體標(biāo)校的核心是應(yīng)用星庫(kù)對(duì)理論位置精確的計(jì)算,該系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)設(shè)置星庫(kù),星庫(kù)中每個(gè)恒星的記錄有星號(hào)、星等、平赤經(jīng)、赤經(jīng)百年自行、平赤緯、赤緯百年自行、恒星視向速度、恒星周年視差、光譜等參數(shù),依據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行天文計(jì)算,可以得到任一時(shí)刻精確的星體位置。

圖1 計(jì)算恒星位置原理圖Fig.1 Block diagram of star orientation

首先,對(duì)2000年首平赤經(jīng)和平赤緯 α0,δ0進(jìn)行歲差和自行修正,獲得觀測(cè)時(shí)刻的平位置 αp和δp,對(duì)αp和 δp進(jìn)行章動(dòng)修正,計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻恒星的真位置αz和δz,對(duì)真位置αz和δz進(jìn)行光行差修正,得到α′和δ′,對(duì)α′和δ′進(jìn)行視差修正,得到最終的恒星視位置 αs和 δs。然后,計(jì)算真恒星時(shí),帶入已知測(cè)量站的經(jīng)度λ,得到恒星對(duì)應(yīng)測(cè)量站的時(shí)角,從而得星體在大地坐標(biāo)系中的方位角和高低角。其流程如圖1所示。

由于大氣折射,觀測(cè)得到的星體位置與星體真實(shí)位置不同,觀測(cè)得到的星體高度應(yīng)減去蒙氣差,才得到星體真實(shí)高度。星體的天頂距越大,蒙氣差越大,溫度氣壓有所改變,蒙氣差的大小就有所不同,星體理論高低角在用作引導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)加蒙氣差修正。

式中p為測(cè)站氣壓,單位為Pa;T為測(cè)站溫度,單位為K。

2.2 穩(wěn)定跟蹤

在無(wú)穩(wěn)定平臺(tái)的艦船上,經(jīng)緯儀采用速度前饋穩(wěn)定的方法,用軟件完成船搖隔離。具體實(shí)現(xiàn)方法是經(jīng)緯儀主控計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)船姿數(shù)據(jù),采用最小二乘法進(jìn)行船體速度、位置預(yù)測(cè),經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及前饋處理,生成測(cè)量系的引導(dǎo)值,送給跟蹤伺服系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在無(wú)機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)下的星體跟蹤測(cè)量。

3 關(guān)鍵算法

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

通過(guò)上述過(guò)程得到地平系中恒星(Ad,Ed)理論值,在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上引導(dǎo)還需經(jīng)過(guò)如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到測(cè)量系(Ac,Ec)。轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Framework of coordinate transition

地平極坐標(biāo)系至直角坐標(biāo)系。

地平直角坐標(biāo)系至甲板直角坐標(biāo)系。

其中航向H、縱搖P、橫搖R由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供。

甲板直角坐標(biāo)系至極坐標(biāo)系。

修正經(jīng)緯儀單項(xiàng)差,甲板系轉(zhuǎn)至測(cè)量系產(chǎn)生引導(dǎo)位置數(shù)據(jù),發(fā)往跟蹤伺服。

其中g(shù)為定向差,c為照準(zhǔn)差,b為橫軸差,h為零 位差,I為垂直軸誤差,α為垂直軸傾斜角。

3.2 事后解算算法

光電經(jīng)緯儀測(cè)量電視是高精度的光測(cè)系統(tǒng),測(cè)量星體的精度高,可以認(rèn)為測(cè)星的誤差是由于經(jīng)緯儀的零位差和軸系差引起,即:

其中:p1為彎沉誤差,p2為折射誤差,Δ Ai和 Δ Ei為第i顆星方位角和高低角誤差。

F1,F2實(shí)際上是比較復(fù)雜的函數(shù),通過(guò)工程近似得到的線性模型,利用最小二乘法求出g,c,b, I,α,h,p1,p2的估計(jì)值。

設(shè)測(cè)星理論值為At和Et,可得出理論值與實(shí)測(cè)值之差為:

根據(jù)最小二乘法計(jì)算出單項(xiàng)差。

其中:

接下來(lái)計(jì)算系統(tǒng)誤差。Δ Aij、Δ Eij為第i顆星第j畫幅方位和高低角誤差,N為用于解算的星數(shù),M為單顆星記錄的畫幅數(shù)。

測(cè)量角總誤差為:

測(cè)量角單位誤差為:

測(cè)量角隨機(jī)誤差為:

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本方法在遠(yuǎn)洋測(cè)量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀的改造中進(jìn)行了首次試驗(yàn),船在塢內(nèi)時(shí)軸系誤差的標(biāo)定采用拍固定方位標(biāo)或?qū)ζ叫泄夤軆煞N方法,其中對(duì)周圍4個(gè)預(yù)設(shè)方位標(biāo)引導(dǎo)記錄,然后用主控軟件的解算程序解算軸系三差,換操作手重復(fù)3次。因測(cè)量船在塢內(nèi)坐墩,結(jié)果具有高度一致性,因此對(duì)平行光管只重復(fù)了2次。海上標(biāo)校時(shí)分時(shí)段,分環(huán)境進(jìn)行了5次。前3次夜間測(cè)星,測(cè)星數(shù)分別為12顆、24顆和8顆,天氣、海況均佳,特別是第2次,因所測(cè)星數(shù)較多且均勻分布,結(jié)果與塢內(nèi)標(biāo)校結(jié)果非常接近,將第2次測(cè)星結(jié)果與第2次塢內(nèi)拍標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比較,照準(zhǔn)差偏差為0.015″,水平差偏差為0.22″,垂直差偏差為0.014″。3種標(biāo)校方法結(jié)果如表1所示。

表1 3種標(biāo)校方法結(jié)果Tab.1 Results of three different calibrations

在船出塢后的某次設(shè)備例行維護(hù)中,主傳感器在維護(hù)人員擦拭過(guò)程中偏離了原位置,照準(zhǔn)差需重新標(biāo)定,且只能通過(guò)拍星的方式進(jìn)行。在海況、天氣、時(shí)間段都合適的情況下,進(jìn)行了多次星校,取一致性較好的數(shù)據(jù),保證了標(biāo)校經(jīng)緯儀在后續(xù)多次任務(wù)中的精度。同時(shí)證明,通過(guò)海上拍星,可以產(chǎn)生有效可用的軸系三差數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證表明,通過(guò)海上測(cè)星解算出的系統(tǒng)誤差與塢內(nèi)坐墩時(shí)具有很好的一致性,偏差為±3″。

5 結(jié)論

本文對(duì)遠(yuǎn)洋測(cè)量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀進(jìn)行了海上標(biāo)校實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在海況、天氣、時(shí)間段合適的情況下海上星校數(shù)據(jù)與塢內(nèi)標(biāo)校數(shù)據(jù)非常接近。照準(zhǔn)差偏差為0.015″,水平差偏差為0.22″,垂直差偏差為0.014″。由此證明,船載經(jīng)緯儀海上標(biāo)校方法標(biāo)校精度高,且簡(jiǎn)便易行,可以取代塢內(nèi)標(biāo)校,以此可以大大節(jié)約設(shè)備改造、塢內(nèi)標(biāo)校及海上校飛的經(jīng)費(fèi)。

[1]蔡建軍,朱杰,周朝猛,等.船載遙測(cè)設(shè)備海上動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法[J].中國(guó)科技信息,2006(6):139-140.

CAI JJ,ZHUJ,ZHOUCH M,et al.A theory of dynamic calibration of shipborne telemetering equipments[J].China Sci. Technol.Information,2006(6):139-140.(in Chinese)

[2]金光.光電經(jīng)緯儀的自動(dòng)化標(biāo)校與白天測(cè)星技術(shù)研究[J].光學(xué) 精密工程,1991(2):87-90.

JIN G.A technical study of the automation demarcation and correction and the day light steller measurement for electrooptical tracking systems[J].Opt.Precision Eng.,1991(2):87-90.(in Chinese)

[3]孫曉昶,皇甫堪.以恒星位置為基準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上測(cè)控雷達(dá)精度標(biāo)校技術(shù)[J].宇航學(xué)報(bào),2002,23(3):29-33.

SUNX C,HUANG F K.Precision calibration of moving platformbased radar with stars as reference marks[J].J.Astro-nautics,2002,23(3):29-33.(in Chinese)

[4]李艷平,李巖,郭立紅,等.對(duì)經(jīng)緯儀靜態(tài)精度檢測(cè)中星校技術(shù)誤差源的分析[J].光學(xué) 精密工程,2004,12(2):79-83.

LI Y P,LI Y,GUO L H,et al.Error analysis of star calibration technique in theodolite static presision detection[J].Opt. Precision Eng.,2004,12(2):79-83.(in Chinese)

[5]姚兆寧,孫曉昶.艦載精密測(cè)量雷達(dá)星體標(biāo)校方法及應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),1999,21(4):7-12,31.

YAO ZH N,SUN X C.Shipborne accurate instrumentation radar star checkout method and application[J].Modern Radar,1999,21(4):7-12,31.(in Chinese)

[6]劉云飛.船載測(cè)控系統(tǒng)的標(biāo)校[J].無(wú)線電通信技術(shù),2003,29(2):1-3.

LIU Y F.Calibration of ship-based measurement and control system[J].Radio Communications Technol.,2003,29(2): 1-3.(in Chinese)

[7]袁誠(chéng)宏,朱曉峰,陳健,等.基于聯(lián)合放球的船載雷達(dá)角度零值標(biāo)校方法[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2009,28(4):23-25.

YUAN C H,ZHU X F,CHEN J,et al.Balloon-tracking zero angle calibration method for ship-borne radars[J].J.Spacecraft TT&C Technol.,2009,28(4):23-25.(in Chinese)

[8]王琦,張繼旭.基于CCD激光經(jīng)緯儀的雷達(dá)標(biāo)校及數(shù)據(jù)處理方法[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2009(1):89-92.

WANG Q,ZHANG J X.A method of radar calibration and data processing based on CCD laser theodolite[J].Tactical Missile Technol.,2009(1):89-92.(in Chinese)

Offshore star calibration of electro-optical shipborne theodolite

MA Qing-kun1,2,QIAO Yan-feng1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

In order to meet the requirements of offshore calibration for theodolites and to reduce calibration costs,this paper presents a calibration method of shipborne theodolites.Using this method,almost all the work canbe carried out at sea.At first,based on FK5 ephemeris,the apparent position of a starcan be calculated in real-time.After the coordinate transition,bootstrap values in the measurement system are ready.The algorithm of ship movementis used to keep the stablization of tracking at sea.Atthe same time,real-time data are acquired and recorded,and the axis errors and systemerrors of the theodolite can be calculated based on several algorithms.Experimental results indicate that the precisions of the calibration in dry-dock and the star calibration are very close.The tolerances of visual axis error,horizontal axis error and the vertical axis error are 0.015″,0.22″and 0.014″,respectively.The star calibration agrees with the former results very well in system errors after calculations.It can satisfy the requirements of offshore calibrating of a ship-based theodolite.

theodolite;offshore star calibration;calculation

粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(No.2004A10403021);廣東省攻關(guān)項(xiàng)目(No.2006A10401006);國(guó)防科技預(yù)研基金資助項(xiàng)目(No.104-0603)

V556.5;TP391.4

A

1674-2915(2010)06-0653-06

2010-06-21;

2010-10-13

馬慶坤(1981—),男,河南沈丘人,碩士研究生,主要從事實(shí)時(shí)控制軟件和虛擬儀器軟件方面的研究。E-mail:markingkun@163.com

喬彥峰(1962—),男,吉林長(zhǎng)春人,研究員,主要從事光電測(cè)量、光電瞄準(zhǔn)、光電測(cè)控技術(shù)方面的研究。E-mail:qiaoyf@ciomp.ac.cn