GPS/电视经纬仪组合导航方法

尤焜 孙兴

摘要 为了能够在动态条件下测量出舰船的航向真值，分离出导航系统误差，研究了利用GPS/电视经纬仪组合导航的测量方法，介绍了测量原理，给出了在动态环境下对特定目标进行跟踪来反推舰船动态航向真值的算法，建立了航向真值解算模型，用于标定出舰船航行过程中的航向误差。

【关键词】GPS 电视经纬仪 导航

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测量法的优点是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，但该方法存在较大的高程误差，同时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，由于舰船的长度有限，因此连线长度受舰船尺寸限制而不能达到理想距离，影响了测量的总体精度。手动光学测量法的优点是测量精度高，但缺点是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。

GPS/电视经纬仪组合导航系统运用现代控制理论和最优估计方法，综合了GPS和手动光学测量法的优点，可在动态条件下实时获取高精度导航信息。

1 GPS/电视经纬仪组合系统组成及测量原理

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;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。

小型光学电视跟踪经纬仪与大型光电经纬仪原理相同，在两轴精密转台上架设光学测量系统，敏感可见光波段，可以在较远的范围内（10～20km）利用电视跟踪器锁定并自动跟踪目标，实现在动态条件下的连续测量。通过本方法获取航向对光电经纬仪的选择有一定特殊要求：

（1）要体积小、重量轻、精度高;

（2）要有电视自动跟踪能力，这样才能保证动态条件下连续测量;

（3）要有较远的作用距离，这样能够增加基线长度，有效提高测量精度;

（4）要具备时间统一同步功能，为实时数据处理提供保证。

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。将小型电视经纬仪搭载在舰船上跟踪锁定已知目标（岸标），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。如图l所示。

2 航向真值算法模型

2.1 误差修正

误差包括水平安装误差和方位引建误差，两部分偏差都需要进行修正。水平安装误差是经纬仪测量坐标系水平面与舰船坐标系水平面在纵摇、横摇两个方向上的偏差角，艏艉线引建偏差是经纬仪与舰船艏艉线对准时方位角与零位的插值，即此时的方位输出值。两部分合起来可以表示为三个方向上的欧拉角（ψ修，θ修，γ修），采用坐标转换的方法进行修正，经纬仪测量坐标系为（x，y，z），舰船坐标系为（x，y，z），两者之间关系满足（不计坐标原点位置）：

因此，转换到舰船坐标系下的目标方位和俯仰角表达式为公式（8）。

经过安装误差修正后的经纬仪测量角与舰船坐标系一致，也就是与舰船姿态数据在同一个坐标系内，可以进行下一步坐标转换。

2.2 坐标转换

坐标转換的目的是将舰船坐标系下的经纬仪测量角转换为地平坐标系下的方位和俯仰角，用来进行真值解算。将舰船坐标系下的经纬仪测量角经过三次旋转变换到地平坐标系下的三个欧拉角，代表舰船的瞬时姿态。不考虑偏航角的影响下姿态转换矩阵可以简化为公式（9）。

因此，最终转换表达式为公式（10）。

经过坐标转换后，经纬仪测量角变换成了大地坐标系下的方位角和俯仰角。这还不是我们需要的水平方位角，还需要进行一次变换，将空间方位角投影到水平面上来即可得到经纬仪测量水平方位角，公式如下：

2.5 真值解算

得到了转为地平坐标系下的经纬仪测量方位角和GPS解算的大地方位角后，就可以得出最后的真值航向角了。公式为：

A真= A经纬仪-A大地

（19）

3 应用结果分析

该算法对某次导航精度试验中舰船航向真值进行解算，通过数据融合处理方法解算出的结果与舰船惯导输出结果比对差的均方值最大仅为80”，优于导航精度试验要求（

）。从图2的曲线中可以看该算法所解算出的真值航向与试验舰舰载平台罗经输出航向角变化一致，达到了试验技术指标要求，精度满足导航精度试验的测量要求。

4 结束语

利用电视经纬仪和GPS组合测量方法既解决了GPS测量法测量基线与载体艏艉线之间偏差标定的问题，又解决了传统手动光学测量法人工读数的问题。该方法不仅适合各种舰艇使用，同时能够适应直升机使用，具有广泛的应用前景，为导航精度试验提供了新方法。

参考文献

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