动态环境条件下舰船航向真值测量方法研究及应用*

宋 杰 孙 兴

(91550部队91分队 大连 116023)

1 引言

在舰载武器系统导航精度试验中为了将舰船导航系统产生的误差从武器系统瞄准误差中分离出来,要对舰船在动态环境条件下的航向真值进行测量。目前,用于舰船航向真值测量的方法有GPS测量法和手动光学测量法。

GPS测量法的原理是,在载体的艏艉线两端和横摇方向上,分别安装精密GPS测量系统。这种方法能够在动态条件下进行连续测量,从而得到完整的航向曲线。但该方法存在下面三个问题:1)由于GPS本身存在较大的高程误差,因此在解算过程中进行坐标变换时会引入误差;2)GPS测量法的精度不仅取决于GPS系统定位精度,更取决于两天线之间的连线长度,由于载体的长度有限,因此连线长度受载体尺寸限制而不能达到理想距离,影响了测量的总体精度;3)两GPS天线之间的连线与载体的艏艉线之间的夹角很难标定出来[1]。

手动光学测量法的原理是在载体上安装高精度的Lecia经纬仪,通过对瞄将经纬仪的测量光轴与载体艏艉线建立起关系,再用经纬仪瞄准已知岸标,通过解算得到精确的载体航向。这种方法的优点是测量精度高,但不足的是:1)仅能在舰船系泊状态下进行,受环境影响较大,不适合动态测量;2)手动测量人工读数获取的测点有限,且没有时间基准,绘制的航向曲线与惯导系统输出的航向较难比较[2]。

舰载武器系统导航精度试验中所要求的舰船航向真值测量必须是在动态条件下的舰船航向真值测量,其测量精度必须满足武器系统试验的要求。由于GPS测量和手动光学测量两种载体航向测量方法均不能适合这一要求,所以本文提出了一种新型的测量方法-目标真值测量法,该方法利用对特定目标进行跟踪来反推舰船航向真值,实现了动态环境条件下舰船航向真值的高精度连续测量。测量精度满足武器系统试验的要求,并已成功应用于某型武器系统导航精度试验。

2 目标真值测量法的测量原理及系统组成

2.1 测量原理

目标真值测量法采用带有电视自动跟踪功能的小型电视经纬仪搭载在舰船上,测量出经纬仪坐标系与舰船坐标系间的误差,使二者建立联系。用经纬仪跟踪锁定已知(大地坐标)目标,得到舰船艏艉线与瞄准线之间的夹角Ac,由精密GPS测定经纬仪测量中心坐标,经过大地解算得到瞄准线的大地方位角Ag,测量载体姿态角通过坐标变换将两个角变换到舰船坐标系下,最后进行矢量叠加即可得到舰船的艏艉线与大地真北的角度即航向真值。测量原理如图1所示。

图1 目标真值法测量舰船航向真值示意图

2.2 系统组成及功能

测量系统由以下几部分组成:小型光学电视跟踪经纬仪,负责在动态条件下跟踪测量已知方位标,输出方位角和俯仰角;差分GPS系统,负责在动态条件下对载体进行定位,通过差分处理给出经纬仪测量坐标系的大地坐标;数据录取系统,负责实时记录载体惯导输出的姿态信息;时间统一系统(简称时统),负责给各测量系统提供一致的时间基准。

3 目标真值测量法的关键技术

3.1 动态条件下高精度连续测量技术

目标真值法利用小型电视经纬仪跟踪特定目标并结合GPS定位系统,完成对舰船在动态(带有横摇、纵摇和偏航姿态的航行)条件下航向真值的测量。同时,选用带电视自动跟踪功能的光电经纬仪进行测量实现了动态条件下的舰船航向连续测量。

舰船艏艉线与已知(大地坐标)目标的夹角Ac由电视自动跟踪经纬仪测量得到。配有电视跟踪器的光电经纬仪可以在动态条件下锁定并跟踪目标,系统光学镜头具备远距离探测能力,可以将瞄准线(即GPS方法中两个GPS间的连线)延长数倍,以提高测量精度。以驱逐舰为例,艏艉长度一般不超过150m,利用GPS测量法的瞄准线长度也只能是150m,而光电经纬仪探测距离可达15km甚至更远,其瞄准线长度被延长了100倍。在这种情况下假设GPS定位误差为1m,造成GPS测量法中的瞄准线与真北夹角即Ag角的误差为0.382°,而目标真值法中该角的误差仅为13.8″。

3.2 数据融合的数据处理技术

目标真值法以时间作为统一基准,通过坐标转换方式将建立在不同坐标系下的测量数据统一到同一坐标系下;利用姿态修正的方法减小了载体运动带来的测量误差。通过这些数据处理方式,提高了试验精度。数据处理流程如图2所示。

图2 目标真值法数据处理流程示意图

目标真值法的原始数据有:经纬仪测量的方位角和俯仰角,差分GPS测量的大地经纬度,惯导输出的载体姿态角及基准引建测量所得到的三个舰船姿态角(即经纬仪坐标系与舰船坐标系OX,OY,OZ夹角),其中,经纬仪测量角、GPS大地经纬度和惯导姿态角为动态数据,基准引建的三个角度值为静态数据,这些数据来自不同的系统,其数据结构均不相同。在数据处理的过程中采用了融合处理的方法。以时间作为数据统一基准,各系统采用的时间基准相同但频率不同,根据数据来源不同采用不同的差值方式使其得到了频率上的统一;经纬仪测量角基于的坐标系与载体坐标系不同,通过基准引建的数据利用坐标变换的方法使经纬仪测量角变换成载体测量角;在坐标系统一后,再利用载体姿态数据进行修正,使每组数据成为“静态”数据并最终转换成基于大地坐标系的角度值;最后加入GPS与岸标经过大地解算后的数据进行矢量叠加得出了载体动态的航向真值[3～4]。

3.3 动态测量精度分配技术

为了满足各试验所要求的动态航向测量精度,将精度分配的方法引入到动态测量领域,即在试验中根据不同试验的总精度要求,对实施测量的各部分的精度进行合理的分配。在精度分配过程中,在对各测量设备允许的误差进行严格限制的同时还要考虑工程实际中的不可预知性[5]。

表1是对测量的各部分进行分析研究后,在中科院有关的多位专家的帮助指导下,计算得到的误差分配结果。

表1 误差分配表

4 应用

目标真值测量法测量动态环境条件下舰船航向真值已成功应用于某型武器系统导航精度试验中,很好地完成了测量任务。在试验应用中各设备误差如表2所示。

表2 某型任务中目标真值法涉及设备误差表

根据3.3节精度分配原则,计算出B类不确定度试验规定的精度。采用本方法与试验舰船平台罗经测量航向结果比对如图3、4所示。

从图3、4中可以看出该研究方法所解算出的真值航向变化趋势与试验舰载平台罗经输出航向角变化一致。

5 结语

目标真值测量法实现了动态环境条件下舰船航向真值的高精度连续测量,为导航精度试验提供了新方法。经试验表明该方法所标定载体的航向精度高,时效性强,不仅适合各种舰艇使用,同时能够适应直升机或大型运输机、轰炸机使用,具有广泛的应用前景。

[1]田力军,丁楠.通过GPS测量船舶航向原理研究[J].科技信息,2008(26):275～276

[2]王习文,陈娟.光电经纬仪跟踪目标运动参数的一种确定方法[J].2009(2):156～160

[3]杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安.西安电子科技大学出版社出版,2001

[4]张华伟.数据融合算法研究及DSP实现武汉理工大学学报[J].2009(2):84～86

[5]尚磊云.基于方差分析的M onte-Carlo制导精度分配方法研究[J].飞行力学,2009(6):93～96