基于浮船塢的航天測量船測量設備標定方法

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

1 引 言

航天測量船是我國航天測控網的重要組成部分，綜合測控能力強，有效彌補了我國國土面積有限而無法提供全程覆蓋的不足[1]。航天測量船采用單站定位體制，對測量設備的誤差參數標定提出了很高的要求。

傳統干船塢標定是讓測量船進船塢坐墩，并在船塢四周建立方位標等設施，以真地平和大地測量

成果為基準，對測量設備進行全面標定[2]。其優點是標定精度高，缺點是周期長、成本高和協調量大[3]。

針對干船塢標定的局限性，文獻[4]提出了應用經緯儀與雷達同步測星的動態標定方法，理論求解精度較高，但工程應用重復精度低；文獻[5]提出了基于大地測量基準點的雷達零位標校方法，但該方法未考慮船體姿態的影響。

本文提出了一種新的動態標定方法，通過建立誤差參數標定的水平和方位基準，采用激光全站儀、高精度水平測量儀等儀器，綜合利用船姿測量數據，實現了船載測量設備的高精度動態標定。

2 浮船塢環境及標定特點

“浮船塢”就是建在水上的能夠修、造船的平臺。浮船塢設有幾十個壓載水艙，通過調各艙的壓載水可以調塢的水平[1]。

受風浪和漲落潮的影響，浮船塢的位置和姿態在不停地變化。由于浮船塢比較大，而長江中波浪的波長較短，振幅也較小，所以對姿態的影響不大[1]。

浮船塢雖然沒有劇烈的搖擺運動，但其姿態和位置在不停地變化，所以浮船塢條件下的標定屬于動基座標定，與常規干船塢(以下簡稱干船塢)內的標定相比，有其自己的技術特點：

(1)在干船塢內要求測量船坐墩的置平度滿足一定要求，對塢墩的排列要求很高；而浮船塢可以通過調塢的壓載水來保證船的置平度，所以要求浮船塢有較強的調水平能力；

(2)干船塢標定時，以測量船艏艉線為測量設備的方位參考基準，以大地水平面為水平參考基準；浮船塢標定時仍以測量船艏艉線為方位參考基準，而以測量船船體基準平臺為水平參考基準。

3 方案設計

本方法的標定項目包括船姿測量設備電氣零位、雷達方位轉盤不水平度、雷達方位角零值和俯仰角零值。

3.1 標定設施

主要標定設施包括：

(1)在浮船塢周圍設置若干方位標；

(2)在浮船塢附近設置3個大地測量控制點，其中一個作為主控點(用于放置激光全站儀)，另外兩個作為副控點，控制點應具有三等大地測量控制網精度。

3.2 船進浮船塢坐墩

船進浮船塢坐墩要求如下：

(1)船進塢前，需在塢底按測量船的底部形狀排列塢墩；

(2)在測量船船體基準平臺的縱、橫向各放置一臺水平儀，觀測船體縱、橫搖值；

(3)船坐墩后，調整浮船塢的壓載水，使浮船塢的水平調整到最佳狀態，要求縱傾優于30″，橫傾優于60″。

3.3 標定時段

標定時應避開潮水換向時段。

3.4 船姿測量設備縱、橫搖電氣零位標定

要求以船體基準平臺為參考基準標定船姿測量設備縱、橫搖電氣零位，該項目應安排在雷達項目標定前標定。步驟如下：

(1)在船體基準平臺的縱、橫向各放一臺水平儀；

(2)船姿測量設備啟動，正常校，并保持最佳工作狀態；

(3)同步讀取ti時刻船體基準平臺水平儀的縱、橫搖讀數ψ平臺i、θ平臺i和船姿測量設備縱、橫搖讀數ψ羅經i、θ羅經i；

(4)按步驟3重復5次以上；

(5)按下式計算船姿測量設備縱、橫搖電氣零位ψ0、θ0：

ψ0i=ψ羅經i-ψ平臺i

(1)

θ0i=θ羅經i-θ平臺i

(2)

(3)

(4)

式中，ψ0i、θ0i分別為ti時刻船姿測量設備縱搖零位和橫搖零位；ψ0、θ0分別為最終標定的船姿測量設備縱搖零位和橫搖零位；i為重復測量次數，i=1,2,3，…,n,n≥5。

3.5 雷達方位轉盤不水平度標定

要求以船體基準平臺為參考基準標定雷達方位轉盤不水平度，步驟如下：

(1)在方位轉盤平臺上放一臺水平儀；

(2)在船體基準平臺上放一臺水平儀；

(3)雷達方位轉盤方位從0°開始，每轉30°讀取雷達方位編碼器讀數Ai、雷達方位轉盤水平儀讀數M雷達i，船體基準平臺水平儀在方位上與雷達的方位轉盤旋同樣角度，并與方位轉盤上的水平儀同步讀數M基i，直到360°；

(4)利用最小二乘法[6]按下式擬合出雷達方位轉盤相對船體基準平臺的最大傾斜量βm和最大傾斜量所在的方位角Am：

M雷達i-M基i=M0+βmcos(Ai-Am)

(5)

式中，M0為雷達方位轉盤平臺水平儀與船體基準平臺水平儀初始零位之差。

3.6 雷達角度零值標定

雷達角度零值標定應在船姿測量設備縱、橫搖電氣零位標定和雷達方位轉盤不水平度標定之后進行。方法是用船姿測量設備的輸出值作為船的航向、水平基準，大地測量給出方位標相對雷達三軸中心的大地方位角和俯仰角，同時記錄雷達標校電視瞄方位標時方位和俯仰編碼器讀數，綜合求解雷達方位、俯仰零值。參加設備有激光全站儀、雷達、船姿測量設備。步驟如下：

(1)在雷達三軸中心上方安裝激光全站儀的合作目標和標志燈，標志燈應正確位于方位旋轉軸上，并提供激光全站儀合作目標、標志燈與三軸中心的相對位置尺寸；

(2)在大地測量主控點上放置一臺激光全站儀，觀測主控點到雷達三軸中心的水平角、高低角和距離，利用方位標和控制點的已知大地測量成果，計算雷達三軸中心至方位標的大地方位角A0大地和大地俯仰角E0大地以及斜距R0。要求每1 min或2 min觀測一次，利用每次觀測數據給出一組計算值：ti、A0大地i、E0大地i、R0i；

(3)船姿測量設備提前開機，使整機處于最佳工作狀態。在時統的控制下，錄取并打印船姿測量設備輸出的姿態測量值ti、Ki、ψi、θi；

(4)雷達用標校電視瞄準方位標，瞄準方位標后方位、俯仰固定，記錄方位、俯仰編碼器輸出值Ai、Ei，每1 min或2 min錄取并打印一次時間ti和標校電視脫靶量ΔAi、ΔEi；

(5)按下式對雷達的測量值進行修正后得到A甲i和E甲i：

A甲i=Ai+(ΔAi-Svi)×secEi-

βm×sin(Ai-Am)×tgEi

(6)

E甲i=Ei+ΔEi-Sei-βm×cos(Ai-Am)

(7)

式中，βm為方位轉盤最大傾斜量；Am為最大傾斜量所在的方位角；Ai、Ei分別為ti時刻方位編碼器輸出值和俯仰編碼器輸出值；ΔAi、ΔEi分別為ti時刻標校電視方位脫靶量和俯仰脫靶量；Svi、Sei分別為由大地測量提供的ti時刻雷達標校電視相對于方位標的方位角改正數和俯仰角改正數；

(6)利用由步驟5得到的A甲i、E甲i，計算ti時刻方位標在以雷達三軸中心為原點的地平坐標系中的坐標分量：

(8)

(9)

其中：

式中，X1i、Y1i、Z1i為ti時刻方位標在以雷達三軸中心為原點的甲板坐標系中的坐標分量，X2i、Y2i、Z2i為ti時刻方位標在以雷達三軸中心為原點的地平坐標系中的坐標分量，R0i為大地測量提供的ti時刻雷達三軸中心至方位標的斜距，Ki、ψi、θi為ti時刻船姿測量設備輸出的船體姿態角；

(7)由X2i、Y2i、Z2i按下式計算ti時刻方位標在以雷達三軸中心為原點的地平坐標系中的Ri、A地平i、E地平i：

(10)

E地平i=arcsin(Y2i/Ri)

(11)

(12)

(8)由步驟7得到的A地平i、E地平i與步驟2得到的大地測量結果進行比對，統計雷達的方位角、俯仰角系統誤差和隨機誤差，則系統誤差即為雷達的方位零值和俯仰零值，隨機誤差反映標定精度：

A0i=A地平i-A0大地i

(13)

(14)

(15)

E0i=E地平i-E0大地i

(16)

(17)

(18)

式中，A0i、E0i分別為ti時刻數據計算得到的雷達方位零值和俯仰零值；A0、E0分別為最終標定的雷達方位零值和俯仰零值；A地平i、E地平i分別為ti時刻方位標在以雷達三軸中心為原點的地平坐標系中的方位角和俯仰角；A0大地i、E0大地i分別為ti時刻大地測量獲得的方位標至雷達三軸中心的大地方位角和大地俯仰角；σA0、σE0分別為雷達方位角零值標定隨機誤差和俯仰角零值標定隨機誤差；n為有效測量數據組數，n=1,2,3,…,n≥30。

4 應用效果分析

某測量船主要測量設備包括測量雷達和用于船舶姿態測量的平臺羅經，經過了大規模技術改造后，采用以上設計方案進行了標定試驗。

4.1 標定結果

圖1 方位零值標定結果Fig.1 The azimuth-zero calibrated

圖2 俯仰零值標定結果Fig.2 The elevation-zero calibrated

標定精度主要體現在雷達角度零值的標定中，圖1、圖2為雷達零值標定結果。圖中橫坐標為有效測量數據組數，縱坐標為零值標定值。實線和虛線分別表示不同時間段的標定結果。

數據處理表明，標定的方位零值隨機誤差約為編碼器測角誤差的3倍，俯仰零值隨機誤差約為編碼器測角誤差的2倍，滿足航天測量任務對標校精度要求。

4.2 誤差分析

與常規干船塢標定相比，該方法隨機誤差稍大，主要原因包括標校各設備數據錄取時間同步誤差和船姿測量誤差。

5 結 論

本文解決了動態條件下航天測量船測量設備標定技術難題，具有簡便、經濟、高效等優點，標定精度滿足航天測量任務要求，已在工程上得到成功應用。本方法可推廣到其它船載測量設備的高精度標定中。

通過建立數據錄取同步采樣系統，同時提高船姿船位測量精度，可進一步提高本方法的標定精度。

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