船載測量設備實時數字引導數據修正方法*

童 艷

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

隨著測控任務向海上縱向延伸，海上測量船動基座測量成為測控系統不可或缺的一部分。海上測量船布設外測設備，承擔了目標測控的部分外部跟蹤測量任務。測量船測得的外測數據與地面布站設備測得的外測數據的區別是測量設備所在承載平臺不固定，其測量精度通常會受到船體的擺動以及船體形變的影響。在初始未測得目標和目標丟失情況下，測量設備需要根據數字引導信息尋找目標，而數字引導信息通常以地心系目標絕對位置給出，在到達測量設備時要轉換為測量系數據引導跟蹤［1]。對于動基座測量設備而言，這個轉換過程必須要考慮船搖和形變的影響進行必要的修正，才能提高測量設備的對準精度。本文針對此問題提出了一種動基座測量對準精度實時修正方法，力求消除動基座測量設備因船搖和形變對測量精度的影響。

2 數字引導數據的生成

數字引導數據由測控系統中實時數據處理軟件匯集各測量設備數據實時解算得到測控目標的發射系坐標，通過坐標轉換到地心系，并考慮通信時延得到外推結果，通過實時通信發送給各測量設備，從而引導測量設備捕獲目標。測量設備通常分為外測和遙測［2]。外測精度高于遙測精度，因此引導數據使用外測方案的優先級高于遙測方案。但如果外測方案和遙測方案都沒有形成，則只能采用當前飛行時刻對應的理論位置作為目標引導信源［3]。為了提高理論引導跟蹤精度，傳統做法是用外測或遙測方案形成的最后一點數據和對應理論位置的偏差值進行修正，最后經過外推得到引導數據［4]。不過，據統計在設備跟蹤目標丟失前一點的測量值失真率較高，如果用這一點的跟蹤結果進行修正，很可能達不到預期的效果，甚至有可能適得其反，起不到提高精度的目的。因此，本文提出采用積累偏差算法，將最后20點的偏差值積累，將這20個偏差值的統計期望值作為理論點修正值，理論引導數據算法見式（1）。從應用效果看要優于單點修正。

3 船載測量設備引導誤差修正方法

船載測量設備在得知目標位置后，由于當前姿態的不固定和船體固有形變的存在，不能直接將此位置用于引導設備跟蹤，為了消除船搖和形變引起的測量誤差，需要對目標位置進行修正，這個過程通常稱為船姿逆修正。動基座上的測控設備跟蹤目標的方位基準是船的艏艉線，俯仰基準是甲板平面，站址基準是浮動的慣導三軸中心。為方便海上測量參數的使用和描述，測量船定義了自己專用的慣導地平坐標系、慣導甲板坐標系、測量坐標系［5]。除了這些船用坐標系，測量船在與測控中心交互時均采用通用坐標系，例如，測控系統中通常把地心直角坐標系作為測量分系統間的統一數據處理坐標系，使整個測控系統之間的數據有了統一的度量。

慣導地平坐標系的原點是慣導平臺三軸交點，其基準面是慣導設備提供的當地水平基準面。由于船在海面上行使過程中存在搖晃，甲板并不與水平面平行，因此有了慣導甲板坐標系，它的原點也在慣導平臺三軸交點，但基準面是甲板平面，當船浮在水中有搖擺時通常甲板平面與地平面不重合，因此，慣導地平坐標系與慣導甲板坐標系之間相差一個船搖。通常船載慣導設備能夠測得船體搖擺角，但這個測量值只是慣導基座的搖擺角，而測量設備在測量船上是沿船艏艉線分散布局的，其測量坐標系的原點與慣導坐標原點不一致，況且船體并不是一個剛體，所以測量設備基座與慣導基座之間存在船體變形量。

因此采用如下一系列的坐標轉換方法，對船姿和搖擺角進行修正，使設備得到修正的測量坐標系下的引導數據，以提高設備跟蹤目標的對準精度。除了準確標校測量設備［6]，提高數字引導數據的準確度是使設備準確捕獲目標連續提供實時數據處理外測信息源的基礎［7]。

地心系引導數據-＞慣導地平坐標系-＞慣導甲板坐標系（消除船搖）-＞測量坐標系（消除形變）

3.1 慣導地平坐標系引導數據

設備需要與裝置位置無關的測量系坐標作為指引跟蹤目標的輸入信息，因此，需要將地心系引導數據轉換為測量系數據。首先根據船載慣性導航系統實時提供的測量船位置信息，將地心坐標轉換成慣導地平坐標。轉換見式（2）。

地心坐標系直角坐標到慣導地平坐標系直角坐標的轉換公式為

這里，L、B分別是測量船上地平坐標原點的大地經緯度，rOEP為目標在地心坐標系下的直角坐標為慣導地平坐標系原點在地心坐標系下的直角坐標。

3.2 消除船搖影響

船搖參數通過船上慣導設備能夠實時測得。組合慣導平臺測定動基座搖擺的姿態數據，通過坐標轉換公式計算出修正的動基座擾動所需的跟蹤參數。

慣導地平坐標系直角坐標到慣導甲板坐標系直角坐標的轉換公式為

3.3 消除形變影響

在測量設備采用引導數據前，要考慮測量基座與慣導基座的船體變形量，加以修正才能提高引導精度［8]。基座之間的船體變形測量量以三個角度描述［9]，分別為艏搖變形角、縱搖變形角、橫搖變形角。消除形變的方法類似于消除船搖，只是三個轉動角由艦艇艏向角、艦艇縱搖角、艦艇橫搖角變為艏搖變形角、縱搖變形角、橫搖變形角。轉換公式參見式（3），得到的位置坐標是消除船搖和形變的測量系坐標值。

4 仿真結果

下面通過模擬測量船在理論彈道引導下的測量過程，對動基座測量引導對準精度實時修正算法的性能進行檢驗分析。

4.1 仿真測試條件

首先模擬一條待跟蹤目標的理論軌跡，同時模擬動基座測量船的運動軌跡和運動參數。然后，分別在不修正姿態和修正姿態的情況下解算測量數據，用動基座數據處理方法對測量數據進行處理，并輸出測量數據解算出的目標位置數據。將其與理論值進行比較，計算相應的誤差。

具體測試時，模擬了兩種船搖情況：

1）艦船的縱搖和橫搖角在（4.0°，19.0°）附近作余弦波動，振幅均為1°；

2）艦船的縱搖和橫搖角在（3.6°，17.0°）附近作余弦波動，振幅均為1°。

由上節內容可知消除形變原理和消除船搖原理類似，所以仿真僅以船搖為例進行驗證。

4.2 測試結果

圖1 姿態未修正時的空間位置位置誤差曲線（情形1）

圖2 姿態已修正時的空間位置誤差曲線（情形1）

在第一種測試條件下，分別對引導數據不做姿態修正和做姿態修正，得到的測試結果見圖1和圖2。統計姿態修正前后空間位置誤差結果見表1。

表1 姿態修正前后空間位置誤差統計結果（情形1）

在第二種測試條件下，分別對引導數據不做姿態修正和做姿態修正，得到的測試結果見圖3和圖4。統計姿態修正前后空間位置誤差結果見表2。

圖3 姿態未修正時的空間位置誤差曲線（情形2）

圖4 姿態已修正時的空間位置誤差曲線（情形2）

表2 姿態修正前后空間位置誤差統計結果（情形2）

4.3 結果分析

從以上測試結果不難看出，在當前模擬測試條件下，相比姿態未修正時的動基座測量輸出結果的空間位置誤差，姿態修正后，可將由姿態導致的空間位置誤差減少90%以上。當然，在實際應用過程中，影響誤差的因素還有許多，對測量設備異常值的處理［10]、船體穩定性的度量［11]、測量船航速的變化對外測設備測速數據的影響［12]等都是需要在數據解算中考慮的因素。

5 結語

本文首先通過提出積累點修正理論軌跡提高理論軌跡引導時的引導數據源精度，并在動基座測量設備上考慮測量船的船搖和形變，消除引導誤差，使動基座測量設備在實時引導狀態下的跟蹤目標對準精度大幅提高。最后通過仿真試驗表明本文提出的引導數據實時修正算法提高了引導條件下的測量設備對準精度。