馬慶坤,喬彥峰

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春130033; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)

船載光電經(jīng)緯儀塢外星體標(biāo)校

馬慶坤1,2,喬彥峰1

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春130033; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)

為了適應(yīng)海上應(yīng)用并降低經(jīng)緯儀塢內(nèi)標(biāo)校成本,采用恒星位置代替固定方位標(biāo),將原本在塢內(nèi)的標(biāo)校工作轉(zhuǎn)移到海上。首先,根據(jù)恒星星表精確、實時地計算出恒星位置。然后,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法將其位置值轉(zhuǎn)化到測量系下,運用船搖自穩(wěn)定算法保證經(jīng)緯儀的正常跟蹤并記錄數(shù)據(jù)。最后,根據(jù)事后解算算法分析記錄數(shù)據(jù),分離設(shè)備單項差并計算系統(tǒng)誤差。實驗結(jié)果表明,海上星校單項差的標(biāo)定與塢內(nèi)通過方位標(biāo)標(biāo)定結(jié)果非常接近,照準(zhǔn)差、水平差、垂直差的偏差分別為0.015″、0.22″和0.014″,系統(tǒng)誤差的標(biāo)定與塢內(nèi)結(jié)果具有很好的一致性,完全能夠滿足經(jīng)緯儀海上標(biāo)校的要求。

光電經(jīng)緯儀;塢外恒星標(biāo)校;解算

1 引言

傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀標(biāo)校需要建立多個方位標(biāo),用精確的大地測量方法確定方位標(biāo)到待標(biāo)校經(jīng)緯儀的方位和俯仰角位置,然后與經(jīng)緯儀實測數(shù)據(jù)比對,實現(xiàn)經(jīng)緯儀自身的標(biāo)定。該方法自動化程度不高,耗資較多。

恒星的位置可以實時地計算出來,且精度很高。利用這種恒星位置的確知性,以精確的恒星位置代替方位標(biāo)來標(biāo)定經(jīng)緯儀的各單項差,方法簡單且自動化程度高,目前這種方法已在國內(nèi)外的許多靶場開始應(yīng)用,效果很好。

以精確的恒星位置為基準(zhǔn),對運動平臺上的經(jīng)緯儀進行精度標(biāo)校,目前有迫切的應(yīng)用需求。例如航天測量船船載光電經(jīng)緯儀在海上情況下,無法人工建立測量基準(zhǔn)標(biāo)。如果測量任務(wù)前在海上被迫進行了軸系或零位調(diào)整,也只有用星校的方法,才能在一定精度內(nèi)對軸系和零位進行重新標(biāo)定。在海上動態(tài)情況下,通常只好利用星體標(biāo)校法在測量任務(wù)前后實現(xiàn)船載經(jīng)緯儀軸系差、零位差的標(biāo)定,監(jiān)視經(jīng)緯儀自身的軸系及零位誤差,為事后分析測量精度提供必要依據(jù)。另外,航天測量船船載經(jīng)緯儀的常規(guī)標(biāo)校需要定期進入船塢,坐墩后在船塢周圍建立方位標(biāo),再用大地測量的方法精確測定方位標(biāo)作為測量基準(zhǔn),整個過程至少要半個月,費用巨大。星體標(biāo)校方法可以在不進塢的條件下實現(xiàn)標(biāo)校,甚至在測控任務(wù)的航渡期間就可完成,自動化程度高,耗費時間短,因而有望取代塢內(nèi)標(biāo)校。

本文介紹了遠洋測量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀的海上標(biāo)校實驗,具體試驗環(huán)境要求為:時間統(tǒng)一勤務(wù)系統(tǒng)提供時間統(tǒng)一服務(wù),GPS定位系統(tǒng)提供平臺實時位置,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供平臺實時姿態(tài)數(shù)據(jù),運動平臺變形測量系統(tǒng)提供平臺實時變形數(shù)據(jù),跟蹤伺服系統(tǒng)完成船搖自穩(wěn)定跟蹤。整體過程大致如下:首先利用 FK5星表選擇合適的恒星,經(jīng)緯儀測量電視跟蹤測量數(shù)顆恒星并記錄數(shù)據(jù),再利用FK5星表和測量時記錄的各幀時間碼、平臺GPS位置數(shù)據(jù)、平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)計算恒星的理論位置數(shù)據(jù),與實測數(shù)據(jù)作差,利用適當(dāng)?shù)牟罘帜Ｐ颓蠼?進而完成標(biāo)校。標(biāo)校結(jié)果表明,海上星校單項差的標(biāo)定與塢內(nèi)通過方位標(biāo)標(biāo)定的結(jié)果非常接近,且方法簡單易行,有望取代塢內(nèi)標(biāo)校。

2 工作原理

2.1 獲取恒星理論位置

星體標(biāo)校的核心是應(yīng)用星庫對理論位置精確的計算,該系統(tǒng)微機內(nèi)設(shè)置星庫,星庫中每個恒星的記錄有星號、星等、平赤經(jīng)、赤經(jīng)百年自行、平赤緯、赤緯百年自行、恒星視向速度、恒星周年視差、光譜等參數(shù),依據(jù)這些參數(shù)進行天文計算,可以得到任一時刻精確的星體位置。

圖1 計算恒星位置原理圖Fig.1 Block diagram of star orientation

首先,對2000年首平赤經(jīng)和平赤緯 α0,δ0進行歲差和自行修正,獲得觀測時刻的平位置 αp和δp,對αp和 δp進行章動修正,計算觀測時刻恒星的真位置αz和δz,對真位置αz和δz進行光行差修正,得到α′和δ′,對α′和δ′進行視差修正,得到最終的恒星視位置 αs和 δs。然后,計算真恒星時,帶入已知測量站的經(jīng)度λ,得到恒星對應(yīng)測量站的時角,從而得星體在大地坐標(biāo)系中的方位角和高低角。其流程如圖1所示。

由于大氣折射,觀測得到的星體位置與星體真實位置不同,觀測得到的星體高度應(yīng)減去蒙氣差,才得到星體真實高度。星體的天頂距越大,蒙氣差越大,溫度氣壓有所改變,蒙氣差的大小就有所不同,星體理論高低角在用作引導(dǎo)數(shù)據(jù)時應(yīng)加蒙氣差修正。

式中p為測站氣壓,單位為Pa;T為測站溫度,單位為K。

2.2 穩(wěn)定跟蹤

在無穩(wěn)定平臺的艦船上,經(jīng)緯儀采用速度前饋穩(wěn)定的方法,用軟件完成船搖隔離。具體實現(xiàn)方法是經(jīng)緯儀主控計算機分系統(tǒng)接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)船姿數(shù)據(jù),采用最小二乘法進行船體速度、位置預(yù)測,經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及前饋處理,生成測量系的引導(dǎo)值,送給跟蹤伺服系統(tǒng),實現(xiàn)在無機械穩(wěn)定平臺下的星體跟蹤測量。

3 關(guān)鍵算法

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

通過上述過程得到地平系中恒星(Ad,Ed)理論值,在運動平臺上引導(dǎo)還需經(jīng)過如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到測量系(Ac,Ec)。轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Framework of coordinate transition

地平極坐標(biāo)系至直角坐標(biāo)系。

地平直角坐標(biāo)系至甲板直角坐標(biāo)系。

其中航向H、縱搖P、橫搖R由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時提供。

甲板直角坐標(biāo)系至極坐標(biāo)系。

修正經(jīng)緯儀單項差,甲板系轉(zhuǎn)至測量系產(chǎn)生引導(dǎo)位置數(shù)據(jù),發(fā)往跟蹤伺服。

其中g(shù)為定向差,c為照準(zhǔn)差,b為橫軸差,h為零 位差,I為垂直軸誤差,α為垂直軸傾斜角。

3.2 事后解算算法

光電經(jīng)緯儀測量電視是高精度的光測系統(tǒng),測量星體的精度高,可以認(rèn)為測星的誤差是由于經(jīng)緯儀的零位差和軸系差引起,即:

其中:p1為彎沉誤差,p2為折射誤差,Δ Ai和 Δ Ei為第i顆星方位角和高低角誤差。

F1,F2實際上是比較復(fù)雜的函數(shù),通過工程近似得到的線性模型,利用最小二乘法求出g,c,b, I,α,h,p1,p2的估計值。

設(shè)測星理論值為At和Et,可得出理論值與實測值之差為:

根據(jù)最小二乘法計算出單項差。

其中:

接下來計算系統(tǒng)誤差。Δ Aij、Δ Eij為第i顆星第j畫幅方位和高低角誤差,N為用于解算的星數(shù),M為單顆星記錄的畫幅數(shù)。

測量角總誤差為:

測量角單位誤差為:

測量角隨機誤差為:

4 測量實驗與結(jié)果

本方法在遠洋測量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀的改造中進行了首次試驗,船在塢內(nèi)時軸系誤差的標(biāo)定采用拍固定方位標(biāo)或?qū)ζ叫泄夤軆煞N方法,其中對周圍4個預(yù)設(shè)方位標(biāo)引導(dǎo)記錄,然后用主控軟件的解算程序解算軸系三差,換操作手重復(fù)3次。因測量船在塢內(nèi)坐墩,結(jié)果具有高度一致性,因此對平行光管只重復(fù)了2次。海上標(biāo)校時分時段,分環(huán)境進行了5次。前3次夜間測星,測星數(shù)分別為12顆、24顆和8顆,天氣、海況均佳,特別是第2次,因所測星數(shù)較多且均勻分布,結(jié)果與塢內(nèi)標(biāo)校結(jié)果非常接近,將第2次測星結(jié)果與第2次塢內(nèi)拍標(biāo)結(jié)果進行比較,照準(zhǔn)差偏差為0.015″,水平差偏差為0.22″,垂直差偏差為0.014″。3種標(biāo)校方法結(jié)果如表1所示。

表1 3種標(biāo)校方法結(jié)果Tab.1 Results of three different calibrations

在船出塢后的某次設(shè)備例行維護中,主傳感器在維護人員擦拭過程中偏離了原位置,照準(zhǔn)差需重新標(biāo)定,且只能通過拍星的方式進行。在海況、天氣、時間段都合適的情況下,進行了多次星校,取一致性較好的數(shù)據(jù),保證了標(biāo)校經(jīng)緯儀在后續(xù)多次任務(wù)中的精度。同時證明,通過海上拍星,可以產(chǎn)生有效可用的軸系三差數(shù)據(jù)。經(jīng)過反復(fù)驗證表明,通過海上測星解算出的系統(tǒng)誤差與塢內(nèi)坐墩時具有很好的一致性,偏差為±3″。

5 結(jié)論

本文對遠洋測量船船載標(biāo)校經(jīng)緯儀進行了海上標(biāo)校實驗,結(jié)果表明,在海況、天氣、時間段合適的情況下海上星校數(shù)據(jù)與塢內(nèi)標(biāo)校數(shù)據(jù)非常接近。照準(zhǔn)差偏差為0.015″,水平差偏差為0.22″,垂直差偏差為0.014″。由此證明,船載經(jīng)緯儀海上標(biāo)校方法標(biāo)校精度高,且簡便易行,可以取代塢內(nèi)標(biāo)校,以此可以大大節(jié)約設(shè)備改造、塢內(nèi)標(biāo)校及海上校飛的經(jīng)費。

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Offshore star calibration of electro-optical shipborne theodolite

MA Qing-kun1,2,QIAO Yan-feng1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

In order to meet the requirements of offshore calibration for theodolites and to reduce calibration costs,this paper presents a calibration method of shipborne theodolites.Using this method,almost all the work canbe carried out at sea.At first,based on FK5 ephemeris,the apparent position of a starcan be calculated in real-time.After the coordinate transition,bootstrap values in the measurement system are ready.The algorithm of ship movementis used to keep the stablization of tracking at sea.Atthe same time,real-time data are acquired and recorded,and the axis errors and systemerrors of the theodolite can be calculated based on several algorithms.Experimental results indicate that the precisions of the calibration in dry-dock and the star calibration are very close.The tolerances of visual axis error,horizontal axis error and the vertical axis error are 0.015″,0.22″and 0.014″,respectively.The star calibration agrees with the former results very well in system errors after calculations.It can satisfy the requirements of offshore calibrating of a ship-based theodolite.

theodolite;offshore star calibration;calculation

粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目(No.2004A10403021);廣東省攻關(guān)項目(No.2006A10401006);國防科技預(yù)研基金資助項目(No.104-0603)

V556.5;TP391.4

A

1674-2915(2010)06-0653-06

2010-06-21;

2010-10-13

馬慶坤(1981—),男,河南沈丘人,碩士研究生,主要從事實時控制軟件和虛擬儀器軟件方面的研究。E-mail:markingkun@163.com

喬彥峰(1962—),男,吉林長春人,研究員,主要從事光電測量、光電瞄準(zhǔn)、光電測控技術(shù)方面的研究。E-mail:qiaoyf@ciomp.ac.cn