航天測量船角度系統(tǒng)誤差偏大問題的分析與解決?

陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

航天測量船角度系統(tǒng)誤差偏大問題的分析與解決?

陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

在測量船某型號任務的數(shù)據(jù)處理過程中，通過比對兩套外測設備的原始測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)方位角的系統(tǒng)誤差偏大。針對設備嚴重超出精度指標的問題，通過進一步的試算，利用箭載GPS數(shù)據(jù)進行比對，仔細分析了引起方位角系統(tǒng)誤差偏大的各種因素，逐步排查后找出了問題原因，并由船載設備進行修正。通過排查分析，驗證了船載設備零值修正處理方法的正確性，為船載系統(tǒng)類似問題的解決積累了經(jīng)驗。

航天測量船；數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)誤差；方位角測量；零值修正

1 問題的提出

海上測控的主要任務是實時獲取目標飛行的彈道數(shù)據(jù)，為型號任務發(fā)射測控的組織指揮與決策提供依據(jù)。外測精度是衡量目標外彈道測量水平的重要指標，也是測量船系統(tǒng)建設質(zhì)量的重要技術指標。在某型號任務中，將測量船兩套外測設備A和B的測量數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)到慣導地平系，發(fā)現(xiàn)兩套設備的方位角系統(tǒng)誤差相差數(shù)十倍，嚴重影響了數(shù)據(jù)處理結果的準確性，以及利用外彈道參數(shù)測軌的精確度，需認真分析原因，找到解決方法。

2 測角誤差的影響

在海上測量任務中，影響測量精度的因素主要有站址誤差、電波（光波）折射誤差、測量元素誤差、時間不同步誤差、光速測不準誤差。在這5項誤差中，我們主要分析測量元素誤差對測量精度的影響［1］。

船上跟蹤測量設備采用的是單站定位體制，測量元素為R、E、A，定位原理如圖1所示。

t時刻目標在測量坐標系中的位置是將極坐標投影到直角坐標中的3個分量，其函數(shù)關系為

假設測量元素的誤差分別為σR、σE、σA，根據(jù)誤差傳播規(guī)律，可以得到目標的位置誤差（均方差）為σxs、σys、σzs。

海上測量數(shù)據(jù)中的測角誤差，除跟蹤測量設備本身的測角誤差外，還要加船體姿態(tài)（即基座的姿態(tài)）測量誤差。從式（2）可以看出，角度誤差對位置誤差的影響隨著距離的增加而增加，這是由測量體制所決定的。測角誤差對船載測控系統(tǒng)的測量精度有直接影響，必須找出誤差源予以消除。

3 故障設備定位過程

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為保證數(shù)據(jù)通信及測量設備提供數(shù)據(jù)的準確性，在原始數(shù)據(jù)復原后必須進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要是判別是否存在偏大或偏小而不符合統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)據(jù)、明顯的跳點、抖動以及野值等，這些異常值必定引起數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)誤差的偏大［2］。本次任務中通過最小二乘法統(tǒng)計隨機誤差，采用繪圖法檢查設備A、B的數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了直觀地表達出原始數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，我們利用兩套設備的原始數(shù)據(jù)繪制了原始、一階、二階差分圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，兩套設備原始數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，并沒有發(fā)現(xiàn)有跳點、抖動、野值等異常數(shù)據(jù)，這就排除了數(shù)據(jù)質(zhì)量引起誤差偏大的原因，需要繼續(xù)進行分析。

3.2 兩套外測設備比對

將一條測量船上的A套和B套設備測量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換到慣導地平坐標系［3］，具體公式為

式中，B（c）為進行船姿修正時的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，B（b）為進行船體變形修正時的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。i= c，b1，b2，b3，再由(x，y，z)解算目標在公共坐標系下的

由于星箭分離后設備A和B跟蹤目標不一致（A跟蹤衛(wèi)星，B跟蹤火箭），我們只將星箭分離前的160 s數(shù)據(jù)進行比對。

根據(jù)總聯(lián)文件約定的測量船精度指標要求，船載設備B方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標要求20多倍，設備A方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標要求近10倍，由此得出此系統(tǒng)誤差不管是因為哪套設備引起的，都嚴重超出了精度指標。

3.3 外測設備與衛(wèi)導數(shù)據(jù)比對

從比對結果我們得出結論：設備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差接近，基本符合精度指標要求，而設備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差超過指標要求近10倍。設備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差和設備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差之間的差值正好為兩設備比對的系統(tǒng)誤差，由此可判斷設備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。

4 誤差原因分析

通過船載測控系統(tǒng)與箭載GPS數(shù)據(jù)的比對，我們確定了測控設備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。下面具體分析引起這個誤差的原因。通過查閱外測數(shù)據(jù)處理模型可知，設備A與設備B測角數(shù)據(jù)處理流程基本一致，因此可以排除船搖、變形、電波折射（對方位無影響）的影響，需要從參數(shù)配置、系統(tǒng)誤差修正模型、零值修正方法中查找問題［5］。

4.1 系統(tǒng)誤差修正

角度量的系統(tǒng)誤差修正主要包括天線座水平誤差、方位軸和俯仰軸垂直誤差、光機軸不平行誤差、動態(tài)滯后誤差和天線重力變形誤差。系統(tǒng)誤差修正模型如下：

式中，ΔEZ為俯仰動態(tài)滯后，ΔAZ為方位動態(tài)滯后，ΔEg為重力下垂量（若無重力下垂，計算時置0），R′、E′、A′為軸系誤差修正后的觀測資料。

從上面的修正公式中可以得出數(shù)據(jù)處理過程需要配置的現(xiàn)場測量參數(shù)：大盤不水平最大傾斜量βm，大盤不水平最大傾斜方向Am，俯仰軸／方位軸不正交度δm，俯仰軸／光軸不正交Sb，光電偏差Cs和Ce。這些值大部分都是在塢內(nèi)標校和海上校飛過程中經(jīng)過多次檢測最終確定的，任務中基本不做改動；而光電偏差Cs和Ce的最終確定，是在任務前用跟蹤標定球的方法進行標定獲取的。經(jīng)了解，本次任務中光電偏差值的標定方法與以往一致，可排除光電偏差使用錯誤的可能性。

我們將測量船實戰(zhàn)任務中實時發(fā)往西安衛(wèi)星測控中心的設備B瞬時站址數(shù)據(jù)（1點／秒）與事后處理的數(shù)據(jù)進行比對，實時發(fā)送數(shù)據(jù)與事后記錄數(shù)據(jù)比對結果一致，說明系統(tǒng)誤差修正的參數(shù)設置沒有問題。這就排除了事后數(shù)據(jù)處理中系統(tǒng)誤差修正環(huán)節(jié)參數(shù)設置出錯的可能性。難道是標定參數(shù)有變化？需要繼續(xù)進行分析。

設備A、設備B與箭載GPS比對的方位角系統(tǒng)誤差殘差如圖3所示。

從圖3可以看出，兩條殘差曲線變化趨勢基本一致，存在的問題有以下兩個。

（1）航捷點處殘差變化趨勢與動態(tài)滯后一致

經(jīng)過分析，設備數(shù)據(jù)本身在航捷點處有動態(tài)滯后問題，而箭載GPS數(shù)據(jù)沒有動態(tài)滯后，事后數(shù)據(jù)處理過程中兩套設備均未進行動態(tài)滯后誤差修正。我們將設備與GPS數(shù)據(jù)作差后，殘差曲線的動態(tài)滯后情況與圖3中航捷點以外的曲線變化趨勢一致。

（2）數(shù)據(jù)存在固定偏差

圖3中兩條殘差曲線一直存在一個固定偏差，排除了重力下垂、光電偏差量計算方法的問題。從偏差的大小來看，零值修正可能是引起系統(tǒng)誤差的原因。

4.2 零值修正

4.2.1 方位角度零位記憶裝置

將TH010經(jīng)緯儀安裝在天線規(guī)定位置上，使其位于設備方位旋轉(zhuǎn)中心，并仔細調(diào)整，使經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)盤平面與設備的方位轉(zhuǎn)盤平面平行。被測天線順時針或逆時針（應只選擇一個方向）轉(zhuǎn)動方位，對準方位刻線后讓天線方位靜止。TH010經(jīng)緯儀對準一個距離大于1 km、仰角接近0°的目標，讀取方位軸角編碼器讀數(shù)Acoi和TH010經(jīng)緯儀讀數(shù)Aji。重復對刻線5次以上。

在塢內(nèi)標校時，對角度零位記憶裝置的指向（記憶值）和重復精度進行了標定。記住了這個記憶值就等于記住了坐標取齊時軸角編碼器的位置，等于記住了設備的甲板零位。這是測量船出塢后在海上實現(xiàn)無方位標、無標校塔標的重要技術措施。

4.2.2 問題分析

在塢內(nèi)標校時，對設備B方位、俯仰刻線的指向和重復精度進行了標定。在海上執(zhí)行任務前，只要對準方位、俯仰刻線，軸角編碼器保持塢內(nèi)標定的記憶值不變，就保持了設備的方位、俯仰零位。我們查看設備B在任務中的方位零值與設備最近一次塢內(nèi)標校結果基本一致，既然設備的零值與標校結果一致，難道是零值本身發(fā)生了變化引起的誤差？我們來分析這種可能性。

對測量船而言，由于從起航點到測量海域需要經(jīng)過漫長的航渡過程，在此期間，設備將在風吹浪打中經(jīng)受沖擊、振動、溫差、鹽霧腐蝕等多種惡劣環(huán)境的影響，因此而產(chǎn)生的設備故障和技術狀態(tài)改變是不可避免的［6］。為了明確方位零值是否發(fā)生了變化，我們與設備研制方人員進行了交流，了解到本次任務出航前，測量船設備B對刻線時發(fā)現(xiàn)方位零位記憶裝置有松動，技術人員對方位的零位記憶裝置進行了拆卸，發(fā)現(xiàn)在刻線基準下有大量的干黃油、鐵銹，清洗后進行了重新安裝。由于零位記憶裝置有定位銷固定，重新安裝后基本恢復到原位置，于是按塢內(nèi)標校成果調(diào)整了碼盤值作為記憶基準。出海后，先后進行了4次對刻線檢查，方位零位一直穩(wěn)定、重復性好。但是，查閱了以往對刻線的歷史記錄后可以看出：從前一次任務后到本次任務時，設備B方位對刻線時碼盤累計調(diào)整量增大了近10倍，這個數(shù)值與本次任務事后數(shù)據(jù)處理的結果相當，而且前一次任務設備A與設備B方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差是符合精度指標的。

據(jù)此，基本可以認為設備B在此次任務中方位角系統(tǒng)誤差偏大的原因是其方位零位發(fā)生了變化，具體原因是刻線受黃油、鐵銹等影響產(chǎn)生了扭曲變形所致。

問題已經(jīng)基本明確，我們將設備B方位零值修正后重新進行外測數(shù)據(jù)事后處理，兩套外測設備方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差由原來超出精度指標數(shù)十倍減小為零點幾倍，數(shù)值在精度允許范圍之內(nèi)。

5 結束語

在后續(xù)的海上測量任務中，將設備B方位零值按修正值進行計算，設備A與設備B之間方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差在精度指標允許范圍內(nèi)，驗證了上述修改方位零值的正確性。目前，測量船設備B的方位零位經(jīng)多次對刻線檢查，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足實際測量任務的需要。

［1］劉利生.外彈道測量數(shù)據(jù)處理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

LIU Li-sheng.Data Processing of Exterior Trajectory［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2002.（in Chinese）

［2］李輝芬，張忠華，朱偉康，等.船載設備測量數(shù)據(jù)處理結果的綜合分析方法［J］.飛行器測控學報，2008，27（6）：65-70.

LIHui-fen，ZHANG Zhong-hua，ZHUWei-kang，et al. The Exterior Tracking＆Measuring Data Analyzing and Processing of Instrumentation Ship［J］.Journal of Spacecraft TT＆CTechnology，2008，27（6）：65-70.（in Chinese）

［3］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.基于比對分析技術的船載設備故障分析［J］.無線電工程，2009，39（4）：30-35.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Ship-borne Equipments of FaultAnalysis Based on Comparison Analysis Technique［J］.Radio Engineering of China，2009，39（4）：30-35.（in Chinese）

［4］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.船載USB瞬時站址殘差異常情況分析［J］.電訊技術，2010，50（2）：57-62.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Exceptional Phenomenon Analysis of Instrumentation Ship′s USB Residual Error［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（2）：57-62.（in Chinese）

［5］李輝芬，周錦標，何劍偉，等.航天測量船外測數(shù)據(jù)異常值自適應處理算法設計［J］.電訊技術，2011，51（4）：54-59.

LIHui-Fen，ZHOU Jin-biao，HE Jian-wei，et al.Adaptive Processing of Abnormal Value in Measured Data by Space Tracking Ship［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（4）：54-59.（in Chinese）

［6］江文達.航天測量船［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：13-129.

JIANGWen-da.Space Tracking Ships［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2002：13-129.（in Chinese）

CHEN Hong-ying was born in Yingshan，Sichuan Province，in 1982.She received the B.S.degree in 2005.She is now an engineer.Her research concernsmaritime measurement data processing and precision analysis.

李輝芬（1968—），女，云南人，高級工程師，長期從事海上測量數(shù)據(jù)處理工作；

LIHui-fen was born in Yunan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concernsmaritimemeasurement data processing.

吳君（1982—），男，江蘇人，工程師，長期從事海上測控設備研究方面的工作；

WU Jun was born in Jiangsu Province，in 1982.He is now an engineer.His research concernsmaritime TT＆C equipment.

Email：wujun2001＠sina.com

楊磊（1983—），男，甘肅人，工程師，長期從事海上測量數(shù)據(jù)處理工作。

YANG Leiwasborn in Gansu Province，in 1983.He isnow an engineer.His research concernsmaritimemeasu rement data processing.

Analysis of and Solution to Relatively Large Azimuth System Error Problem in a Task by Space TT＆C Ship

CHEN Hong-ying，LIHui-fen，WU Jun，YANG Lei
（China Satellite Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

In data processing of a task by space TT＆C ship，it is found out that the azimuth error is relatively large through comparing the data of twomeasurementequipment.By calculating and comparing the data of rocket -borne GPS，possible factors causing the large azimuth error are analysed and the reason is found.The error is corrected by equipment onboard ship.The zero-value correctionmethod proposed is validated through investigation and analysis，which provides reference for such problems.

space TT＆C ship；data processing；system error；azimuthmeasurement；zero-value correction

TN911；V55

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.015

陳紅英（1982—），女，四川營山人，2005年獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為海上測量數(shù)據(jù)處理與精度分析；

1001-893X（2011）10-0071-05

2011-05-31；

2011-08-11