利用GPS精密差分信息实现舰船类目标关键部位间接测量＊

姜大治，杨 军

（92941部队，辽宁 葫芦岛125000）

0 引 言

试验中，舰船上某关键点位的坐标是所要关心的，由于舰船目标电磁环境复杂、待测点无法安装GPS天线、待测点附近环境复杂且遮挡严重无法实现载波相位差分定位等原因，GPS最佳测量点只能位于舰首或舰尾，因此，必须通过间接测量方式计算关键点瞬时坐标［1－2］。如果要实现精确的部位修正，就必须得到目标精确的瞬时三维姿态参数，即运动载体的偏航角、横滚角和俯仰角［3］。GPS测姿是在一个运动载体的几个不同位置上分别安装GPS信号接收天线，利用GPS定位数据求解出运动载体的姿态参数。利用GPS载波相位信号作为观测值，其定位精度很高，可实现载体姿态测量［4］。GPS测姿平台至少需要三点或两个非重叠矢量来确定，最少需要在运动载体上安设三根GPS信号接收天线，才能形成两条独立的基线，并且为保证精度，各天线距离应尽可能远［5］。由于条件限制，在舰船上实现三天线测姿非常困难。在分析舰船结构特点的基础上，提出了一种利用双GPS测量舰船瞬时艏艉线实现部位修正的方法，该方法实现简单且易于实际工程应用，具有较高的艏艉线修正精度。

1 双GPS关键点位间接测量方法

1.1 天线安装与相对位置关系建立

由于舰船中线有很高的装配精度，GPS天线应以舰船中线为基准装于关键点位同测。舰尾安装环境较为宽松，只要满足舰首GPS天线安装，再安装舰尾GPS天线，使两天线距离中线相等。安装结束后需测量出各天线相位中心点到基座平台及舰中线的距离。由于待测关键点相对于载体位置已知，因此，关键点位置与舰尾GPS天线相位中心平行中线距离已知。

由于载体运动时姿态变化较大，且测量环境复杂，应在舰船离港前进行不少于0.5h的测量，以获得两GPS天线之间的平行中线距离。各点位位置关系如图1所示。

图1 位置关系图

1.2 载体瞬时坐标系建立

由于舰尾装备较少，干扰和遮挡较小，且便于载体坐标系建立，选择舰尾GPS天线相位中心为载体瞬时坐标系原点。OX轴：过坐标原点的切平面内，指向舰首GPS天线相位中心在切平面的投影点；OY轴：过坐标原点的切平面的法线，指向向上；OZ轴：过坐标原点的切平面内，与OX、OY轴构成右手直角坐标系。依定义有WGS－84到载体瞬时坐标系转换公式如下

式中Rx（A），Ry（B），Rz（C）为旋转矩阵。

Aox是舰尾GPS天线相位中心与舰首GPS天线相位中心连线形成的大地线的大地方位角［6－8］。设舰尾GPS天线相位中心瞬时位置坐标为 （［Bwi，Lwi，Hwi］，［Xwi，Ywi，Zwi］），舰首GPS天线相位中心瞬时位置坐标为（［Bqj，Lqj，Hqj］，［Xqj，Yqj，Zqj］），将Aox置零，带入式（1）有

（xqj，yqj，zqj）为舰首GPS天线相位中心在瞬时平台坐标系下的坐标，其中i＝1，2，…，n，n为舰尾GPS记录点数，j＝1，2，…，m，m为舰首GPS记录点数。Aox计算公式为

计算时应注意Aox的象限判断。

1.3 部位修正

舰船上各装备位置关系如图1所示，由于所关心的是关键点位之间的关系，在假定舰船为刚体目标时，各关键点之间的关系与舰船形状无关，各点在载体瞬时坐标系关系如图2所示。

图2 载体瞬时坐标系关系图

已知信息包括：①舰前GPS天线相位中心水平投影距中线距离Wq，舰尾GPS天线相位中心水平投影距中线距离Wh，待测点水平投影距中线距离Wc，且有Wq＝Wh.②舰前GPS天线相位中心与舰尾GPS天线相位中心水平投影与舰船中线平行距离Lq，待测点与舰尾GPS天线相位中心水平投影与舰船中线平行距离Lc.③舰前GPS天线相位中心距待测点基座水平面距离Hq，舰尾GPS天线相位中心距待测点基座水平面距离Hh，待测点距其基座水平面距离Hc，并设Hh＞Hq＞Hc.

设t时刻舰前与舰尾GPS测量的大地高度为hq、hh，此时待测点基座水平面与载体瞬时坐标系平面夹角Psz计算公式为

设t时刻待测点在载体坐标系下的坐标为（xt，yt，zt），则有

设t时刻舰尾地心坐标为 ［Xwt，Ywt，Zwt］，则待测点地心坐标 （Xt，Yt，Zt）为

2 实例分析

以某型装备精度试验为例，装备阵面中心点位于舰艏艉线右侧，水平投影距中线距离3.24m，与舰尾GPS天线相位中心沿舰艏艉线方向距离27.53m，高于基面5.78m.GPS接收机为JAVAD双频接收机，记录频率20Hz.两GPS天线水平投影距舰中线距离相等，舰前GPS天线相位中心高于基面1.12m，舰尾GPS天线相位中心高于基面0.71m.双GPS部位修正与单GPS计算航向部位修正结果在相同时刻三维地心坐标一次差值曲线如图3所示。以双GPS部位修正结果为基准，对单GPS计算航向部位修正结果进行分析，其趋势性偏差和随机性偏差统计结果如表1所示。

图3 X、Y、Z方向一次差曲线

表1 偏差统计

分析两种测姿计算结果可知：由于受风浪等因素的影响，舰船运行方向与艏艉线指向不同，使用计算航向代替大地方位角存在指向偏差，且无法计算角Psz，当目标速度小于一定数值或舰船转弯时，舰船速度变化剧烈，计算航向突变散乱现象严重，单GPS计算航向部位修正失效。基于以上分析得出，双GPS部位修正精度和数据稳定性都优于单GPS计算航向部位修正结果。

3 结 论

利用GPS载波相位差分数据测量舰船瞬时艏艉线实现部位修正具有高精度、投入小、不受天气限制等优点，并且可根据试验的实际环境灵活安装天线，具有其它测量手段所没有的优势。部位修正结果数据稳定说明该方法对目标姿态变化具有较强的适应性，舰前后GPS距离较远，因此载体瞬时坐标系OX轴方向有很高的修正精度，但由于只有二维信息，坐标Y、Z对舰船横滚角变化较为敏感，修正精度较差，是本方法的不足之处。

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