船載測量設備光電偏差動態評估方法

何　晶，黃　瓊，徐先春，陳紅英

(中國衛星海上測控部，　江蘇 江陰 214431)

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船載測量設備光電偏差動態評估方法

何晶，黃瓊，徐先春，陳紅英

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

摘要：在現有光電偏差標定方法的基礎上，針對海上動態環境下多種方法測量及標定船載測量設備光電偏差結果一致性較差且難以選擇的問題，提出了一種船載測量設備光電偏差計算及動態評估方法。該方法利用空間目標精軌信息能夠反演計算高精度測元的特性，結合船載測量設備的測量數據建立測量方程計算光電偏差，以該計算結果為理論值對多種方法得到的光電偏差進行多屬性優選，實測數據表明能有效解決動態測量情況下直接標定結果差異較大難以取舍的難題。

關鍵詞：光電偏差；船載測量設備；多屬性優選；動態評估

0引言

船載無線電測量為單站定位模式，主要測量元素有測距、測角和測速。根據誤差傳播規律，該體制測量目標的定位精度與上述測元均有關，其中測角誤差對定位精度的影響與測距成正比[1]，極大地影響遠距離航天目標的定位精度。因此，盡可能地提高船載測量設備測角精度將有效提高船載無線電設備的單點定位精度。

船載設備測角數據只有經過零值、軸系誤差、電波折射等一系列誤差修正才能進行最終的定軌計算。光電偏差是軸系誤差修正的一個重要環節。船載無線電設備測量空間目標時記錄電軸的測量數據，而設備電軸的標定是依靠光軸進行的，在數據處理中需進行光電偏差修正以消除光軸與電軸的系統差異。因此，光電偏差是否準確，即光電軸是否匹配自然會直接影響設備測角數據的精度。測量船進行光電偏差修正的方法有多種，除了在碼頭或塢內采用的對塔標定法外，近年來還陸續研究了一些新方法，如：在海上普遍采用的標定球法[2]或空間目標法[3]。

以往在船舶準靜態條件(錨泊、系泊)下，選擇光電偏差參數時，通常以塢內對塔標定值為參照基準。但由于測量船長時間在海上航行，受海風、涌浪等不確定因素的影響，船舶的扭擺、振動很可能造成測量光軸與電軸之間的變化，從而引起光電偏差數值的變化。這種情況下，當采用上述方法得到的光電偏差標定值不一致時，如何判定光軸與電軸的真實狀態，怎樣選擇光電偏差參數作為計算值，是擺在我們面前的一個難題。因此，本文提出了一種新的光電偏差優選方法——基于理論反演的光電偏差動態評估方法。

1基本原理

1.1光電偏差

無線電設備光軸與電軸的不平行度稱為光電偏差，亦稱光電不匹配或光電失配 。天線拋物面變形、饋源偏移和抖動等因素會引起光電偏差的變化，因此需要不定期進行標定。

光電偏差有橫向(方位光電偏差)和縱向(俯仰光電偏差)兩個分量，分別造成方位角測量誤差和俯仰角測量誤差，即

(1)

式中：Cs為方位光電偏差；ΔA為造成方位角誤差；Ce為俯仰光電偏差；ΔE為造成俯仰角誤差。

1.2傳統船載設備光電偏差標定方法

1.2.1對塔標定方法

對塔標定方法主要通過控制無線電設備天線對準標校塔的光電標靶板上的對稱靶標，并將標校電視鎖定有效的光脫靶量數據記錄下來，選擇誤差電壓為零對應的數據直接計算光電偏差，即

(2)

式中：Ewi為第i次記錄光脫靶量時目標的俯仰角度；ΔAwi和ΔEwi分別為第i次記錄的方位、俯仰光脫靶量；ΔEg為重力下垂誤差；i為重復測量序號，i=1,2,…,n,n≥5。

1.2.2標定球方法

首先施放裝有合作目標的探空氣球，待探空球飛離設備天線的距離滿足設備測量的遠場條件后，采用主天線電軸自跟蹤模式，并選取標校電視鎖定有效情況下錄取的光脫靶量數據，利用式(2)計算光電偏差。該方法計算光電偏差需要考慮視差修正，即標校電視光軸與天線電軸中心的位置偏差修正，包括水平偏差和垂直偏差[3]。

1.2.3空間目標法

空間目標法，即通過跟蹤低軌空間目標(通常為標校衛星)來標定設備的光電偏差。首先，獲取空間軌道預報信息；然后，預報并選擇低軌道合作目標在本地可見的適當弧段；其次，利用無線電設備主天線跟蹤合作目標信號；最后，根據標校電視錄取目標在標校電視中的光脫靶量數據，計算光電偏差。同標定球法一樣，計算光電偏差需要考慮視差修正。

標定球法與空間目標法跟蹤目標均為運動目標，雷達在動態跟蹤過程中存在滯后[4]現象，為提高計算參數精度，計算時考慮了進行動態滯后修正[5]。

其中，對塔標定法需要選擇合適地點建設標校塔來設立滿足標校條件的靶標，受地理位置約束，在遠洋中難以實行；同時由于塔的高度有限，其測量的標定結果不可避免地會引入多路徑效應引起的誤差。標定球法與空間目標法，二者測量目標不同，一種是信標球，一種是低軌空間目標。雖然后續計算參數方法基本一致，但由于后者跟蹤測量時角隨機誤差相對較小，上述方法計算得出的光電偏差標定值并不相同。即使同一方法，不同時間測得的標定值也并不相同。因此，給設備參數的選擇帶來難度。本文提出的基于理論反演的船載設備光電偏差評估方法解決了這一問題。

2船載測量設備光電偏差評估方法

2.1評估方法思路

以上三種方法都是根據設備跟蹤測量狀態和錄取的設備光脫靶量數據直接計算設備光電偏差的方法，而基于理論反演的船載設備光電偏差評估方法中包含的光電偏差計算方法，為光電參數間接估計方法。利用已知信息(包括先驗信息和測量信息)間接估計設備光電特性參數的方法，并利用該方法對直接測量計算方法得到的光電偏差參數進行驗證與評估。即利用合作目標精軌數據和設備測量狀況信息，根據基于理論反演的設備光電偏差的計算方法估計出理論值，然后將多種方法得到的多組光電偏差與理論數值比較，并進行優選。

具體評估思路如下：

(1)利用精軌信息獲取理論數據，對現有海上外測數據及參數進行數據處理；

(2)將得到的數據進行比較，對殘差數據進行建模，解算參數變化量；

(3)根據參數變化量對現有參數進行修正。

具體評估流程如圖1所示。

圖1　評估方法流程圖

2.2反演的理論測元數據計算方法

2.2.1精確地心數據計算

2.2.2理論站點地平系的測元數據計算

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

近似有

(7)

2.2.3測量系理論測元計算

不同于陸基測站，計算設備測量坐標系的理論測元時，除了計算出理論站平坐標系的測元數據、并進行電波折射逆修正外，還需進行船姿、變形數據逆修正，從而計算出船載設備測量坐標系的理論測元。

(8)

2.3光電參數計算誤差方程

AX=L

(9)

2.4多屬性優選方法

通過理論值與測量參數的比較，求最優值。參考多屬性匹配決策方法[7]，令最優值(x,y)=minG(xi,yi)。其中，(xi,yi)為參數序列，分別代表設備在水平方向和垂直方向的光電偏差，G(xi,yi)為評估函數，有

(10)

式中：(xl，yl)為理論值。

3實測數據處理與分析

為準確掌握設備的光電特性，需要對設備的光電參數進行經常性地檢查和復核。由于不同設備的光電特性不同，不同頻點同一設備的光電特性也不相同。針對此情況，以某一設備某一頻點為例，列出其各次檢查時的光電參數狀況，具體數據如表1。由表1可以看出，對塔標定法、跟蹤信標球及空間目標法三種標定方法得到的光電偏差數值差異很大。F1點頻的光電偏差數值中，對塔與理論反演算法更接近；F2點頻的光電偏差數據中，對塔2數值與理論反演算法更接近。

表1　不同情況某A1設備某F頻點光電偏差數值

根據2.4節優選算法，以理論反演算法得到的參數為標準，分別計算各方法對應的G值。由表1，F1點頻中標號為①的G值最小，為12.0″；F2點頻中標號為⑥的G值最小，為32.4″。因此，分別選定①、⑥作為兩次跟蹤不同目標時實時測量數據軸系修正參數。

在?；鶖祿辱b定中，通常采用高精度的數據作為精度標準，通過作差比較來分析本次?；鶞y量的精度狀況，以殘差均值和殘差均方差作為參考量。因此，為驗證所選參數的數據處理效果，采用上述幾組參數進行事后數據處理(除光電偏差參數不同，其他數據處理過程相同)，然后分別與精軌數據(中心提供的航天器精確數據轉換成A、E數據)比較，詳見表2。表2中計算結果為采用不同光電偏差參數計算得到的數據與精軌數據進行比較得到的角度殘差(事后數據-精軌數據)，單位為角秒。

表2　A1設備不同光電偏差計算結果與精軌結果的差異

由表2，幾組殘差均方差結果一致性好，主要差異在殘差均值。F1點頻中，采用標號①參數的數據處理結果方位殘差均值為-2.2″，俯仰殘差均值為14.8″，優于其他兩組；F2點頻中，采用標號⑥參數的數據處理結果方位殘差均值為39.4″，俯仰殘差均值為8.6″，優于其他三組?？梢姡捎帽驹u估方法計算優選出的兩組參數(①、⑥光電偏差)的數據處理結果與精軌數據差異最小，精度最高。

①、⑥均為對塔標校方法，相對由于標定球法和空間目標跟蹤法，測量目標特性不同，前者為靜態信號源，后兩者跟蹤的目標分別為不斷飄升的標定球和快速運動的地球衛星(即動態目標)。此外，測量條件不同，對塔標校方法通常情況是在船舶停靠碼頭系泊狀態進行的，后兩種方法通常在船舶運動狀態下進行標定。因此，對塔標校方法可以稱為準靜態標定方法，后兩者可稱為動態標定方法。說明標定球法和空間目標跟蹤法跟蹤測量的過程更復雜，混入了其他誤差源，需要進一步改進。理論反演算法雖然可能會將部分軸系誤差殘余帶入到所求參數中，不能完全真實反映設備的形態，但在軸系參數確定的情況下，所選參數與該軸系參數是最匹配的，因為其綜合計算測量結果將與空間目標實際狀態最接近。因此，該方法仍能有效提高設備綜合測量精度。另外，⑤、⑥均為F2點頻對塔標校方法，不同時間測量計算值不同，說明測量時的環境因素、人員因素對對塔標校方法結果也有影響。

4結束語

基于理論反演的光電參數動態評估方法，在面對多組光電參數差異較大時，能夠有效解決海基動態測量時難以選擇的難題。但由于已知的合作目標有限，本方法只能對某些設備的某些頻點進行理論估算。由表1也看到，同一頻點同一設備不同方法得到的光電偏差數值差異較大，關于幾種方法的差異還需要進行深入的研究和分析。

參 考 文 獻

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何晶女，1975年生，高級工程師。研究方向為數據處理與精度分析。

A Dynamic Evaluation Method on Photoelectricity Deviation of Shipborne Measuring Equipments

HE Jing，HUANG Qiong，XU Xianchun，CHEN Hongying

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431, China)

Abstract：Based on current photoelectricity deviation calibration methods, a new method on shipborne measuring equipments photoelectricity deviation calculation and dynamic valuation is put forward, aiming at solving the problem that is difficult to choose the optimum value among the inconsistent results of current various photoelectricity deviation calibration methods in the maritime complex dynamic environment. Taking the advantage of the precise character of theoretical elements ratiocinated from the information of precision orbits and combining the data from the shipborne measuring equipments, equations are set up to compute the photoelectricity deviation, which are just used as authentic true value to carry out multiattribute selection from those current various methods. The results show that this method can overcome the problem to make choice of the reasonable one from those inconsitently direct calibration parameters.

Key words：photoelectricity deviation; shipborne measuring equipments; multiattribute selection; dynamic evaluation

中圖分類號：TN953

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0011-04

收稿日期：2015-11-20

修訂日期：2016-01-05

通信作者：何晶Email：icejialinhe@sina.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.003