GPS/電視經緯儀組合導航方法

尤焜 孫興

摘要 為了能夠在動態條件下測量出艦船的航向真值，分離出導航系統誤差，研究了利用GPS/電視經緯儀組合導航的測量方法，介紹了測量原理，給出了在動態環境下對特定目標進行跟蹤來反推艦船動態航向真值的算法，建立了航向真值解算模型，用于標定出艦船航行過程中的航向誤差。

【關鍵詞】GPS 電視經緯儀 導航

目前，用于艦船航向真值測量的方法有GPS測量法和手動光學測量法。GPS測量法的優點是能夠在動態條件下進行連續測量，從而得到完整的航向曲線，但該方法存在較大的高程誤差，同時GPS測量法的精度不僅取決于GPS系統定位精度，更取決于兩天線之間的連線長度，由于艦船的長度有限，因此連線長度受艦船尺寸限制而不能達到理想距離，影響了測量的總體精度。手動光學測量法的優點是測量精度高，但缺點是僅能在艦船系泊狀態下進行，受環境影響較大，不適合動態測量。

GPS/電視經緯儀組合導航系統運用現代控制理論和最優估計方法，綜合了GPS和手動光學測量法的優點，可在動態條件下實時獲取高精度導航信息。

1 GPS/電視經緯儀組合系統組成及測量原理

測量系統由以下幾部分組成：小型光學電視跟蹤經緯儀，負責在動態條件下跟蹤測量已知方位標，輸出方位角和俯仰角;GPS系統，負責在動態條件下對載體進行定位，通過差分處理給出經緯儀測量坐標系的大地坐標;數據錄取系統，負責實時記錄載體慣導輸出的姿態信息;時間統一系統（簡稱時統），負責給各測量系統提供一致的時間基準。

小型光學電視跟蹤經緯儀與大型光電經緯儀原理相同，在兩軸精密轉臺上架設光學測量系統，敏感可見光波段，可以在較遠的范圍內（10～20km）利用電視跟蹤器鎖定并自動跟蹤目標，實現在動態條件下的連續測量。通過本方法獲取航向對光電經緯儀的選擇有一定特殊要求：

（1）要體積小、重量輕、精度高;

（2）要有電視自動跟蹤能力，這樣才能保證動態條件下連續測量;

（3）要有較遠的作用距離，這樣能夠增加基線長度，有效提高測量精度;

（4）要具備時間統一同步功能，為實時數據處理提供保證。

利用小型電視經緯儀跟蹤特定目標并結合GPS定位系統，完成對艦船在動態（帶有橫搖、縱搖和偏航姿態的航行）條件下航向真值的測量。將小型電視經緯儀搭載在艦船上跟蹤鎖定已知目標（岸標），得到艦船艏艉線與瞄準線之間的夾角Ac，由精密GPS測定經緯儀測量中心坐標，經過大地解算得到瞄準線的大地方位角Ag，測量載體姿態角通過坐標變換將兩個角變換到艦船坐標系下，最后進行矢量疊加即可得到艦船的艏艉線與大地真北的角度即航向真值。如圖l所示。

2 航向真值算法模型

2.1 誤差修正

誤差包括水平安裝誤差和方位引建誤差，兩部分偏差都需要進行修正。水平安裝誤差是經緯儀測量坐標系水平面與艦船坐標系水平面在縱搖、橫搖兩個方向上的偏差角，艏艉線引建偏差是經緯儀與艦船艏艉線對準時方位角與零位的插值，即此時的方位輸出值。兩部分合起來可以表示為三個方向上的歐拉角（ψ修，θ修，γ修），采用坐標轉換的方法進行修正，經緯儀測量坐標系為（x，y，z），艦船坐標系為（x，y，z），兩者之間關系滿足（不計坐標原點位置）：

因此，轉換到艦船坐標系下的目標方位和俯仰角表達式為公式（8）。

經過安裝誤差修正后的經緯儀測量角與艦船坐標系一致，也就是與艦船姿態數據在同一個坐標系內，可以進行下一步坐標轉換。

2.2 坐標轉換

坐標轉換的目的是將艦船坐標系下的經緯儀測量角轉換為地平坐標系下的方位和俯仰角，用來進行真值解算。將艦船坐標系下的經緯儀測量角經過三次旋轉變換到地平坐標系下的三個歐拉角，代表艦船的瞬時姿態。不考慮偏航角的影響下姿態轉換矩陣可以簡化為公式（9）。

因此，最終轉換表達式為公式（10）。

經過坐標轉換后，經緯儀測量角變換成了大地坐標系下的方位角和俯仰角。這還不是我們需要的水平方位角，還需要進行一次變換，將空間方位角投影到水平面上來即可得到經緯儀測量水平方位角，公式如下：

2.5 真值解算

得到了轉為地平坐標系下的經緯儀測量方位角和GPS解算的大地方位角后，就可以得出最后的真值航向角了。公式為：

A真= A經緯儀-A大地

（19）

3 應用結果分析

該算法對某次導航精度試驗中艦船航向真值進行解算，通過數據融合處理方法解算出的結果與艦船慣導輸出結果比對差的均方值最大僅為80”，優于導航精度試驗要求（

）。從圖2的曲線中可以看該算法所解算出的真值航向與試驗艦艦載平臺羅經輸出航向角變化一致，達到了試驗技術指標要求，精度滿足導航精度試驗的測量要求。

4 結束語

利用電視經緯儀和GPS組合測量方法既解決了GPS測量法測量基線與載體艏艉線之間偏差標定的問題，又解決了傳統手動光學測量法人工讀數的問題。該方法不僅適合各種艦艇使用，同時能夠適應直升機使用，具有廣泛的應用前景，為導航精度試驗提供了新方法。

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