陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

航天測量船角度系統(tǒng)誤差偏大問題的分析與解決?

陳紅英，李輝芬，吳君，楊磊

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

在測量船某型號任務(wù)的數(shù)據(jù)處理過程中，通過比對兩套外測設(shè)備的原始測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)方位角的系統(tǒng)誤差偏大。針對設(shè)備嚴(yán)重超出精度指標(biāo)的問題，通過進(jìn)一步的試算，利用箭載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，仔細(xì)分析了引起方位角系統(tǒng)誤差偏大的各種因素，逐步排查后找出了問題原因，并由船載設(shè)備進(jìn)行修正。通過排查分析，驗(yàn)證了船載設(shè)備零值修正處理方法的正確性，為船載系統(tǒng)類似問題的解決積累了經(jīng)驗(yàn)。

航天測量船；數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)誤差；方位角測量；零值修正

1 問題的提出

海上測控的主要任務(wù)是實(shí)時獲取目標(biāo)飛行的彈道數(shù)據(jù)，為型號任務(wù)發(fā)射測控的組織指揮與決策提供依據(jù)。外測精度是衡量目標(biāo)外彈道測量水平的重要指標(biāo)，也是測量船系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。在某型號任務(wù)中，將測量船兩套外測設(shè)備A和B的測量數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)到慣導(dǎo)地平系，發(fā)現(xiàn)兩套設(shè)備的方位角系統(tǒng)誤差相差數(shù)十倍，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及利用外彈道參數(shù)測軌的精確度，需認(rèn)真分析原因，找到解決方法。

2 測角誤差的影響

在海上測量任務(wù)中，影響測量精度的因素主要有站址誤差、電波（光波）折射誤差、測量元素誤差、時間不同步誤差、光速測不準(zhǔn)誤差。在這5項(xiàng)誤差中，我們主要分析測量元素誤差對測量精度的影響［1］。

船上跟蹤測量設(shè)備采用的是單站定位體制，測量元素為R、E、A，定位原理如圖1所示。

t時刻目標(biāo)在測量坐標(biāo)系中的位置是將極坐標(biāo)投影到直角坐標(biāo)中的3個分量，其函數(shù)關(guān)系為

假設(shè)測量元素的誤差分別為σR、σE、σA，根據(jù)誤差傳播規(guī)律，可以得到目標(biāo)的位置誤差（均方差）為σxs、σys、σzs。

海上測量數(shù)據(jù)中的測角誤差，除跟蹤測量設(shè)備本身的測角誤差外，還要加船體姿態(tài)（即基座的姿態(tài)）測量誤差。從式（2）可以看出，角度誤差對位置誤差的影響隨著距離的增加而增加，這是由測量體制所決定的。測角誤差對船載測控系統(tǒng)的測量精度有直接影響，必須找出誤差源予以消除。

3 故障設(shè)備定位過程

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為保證數(shù)據(jù)通信及測量設(shè)備提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在原始數(shù)據(jù)復(fù)原后必須進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要是判別是否存在偏大或偏小而不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)據(jù)、明顯的跳點(diǎn)、抖動以及野值等，這些異常值必定引起數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)誤差的偏大［2］。本次任務(wù)中通過最小二乘法統(tǒng)計(jì)隨機(jī)誤差，采用繪圖法檢查設(shè)備A、B的數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了直觀地表達(dá)出原始數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，我們利用兩套設(shè)備的原始數(shù)據(jù)繪制了原始、一階、二階差分圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，兩套設(shè)備原始數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，并沒有發(fā)現(xiàn)有跳點(diǎn)、抖動、野值等異常數(shù)據(jù)，這就排除了數(shù)據(jù)質(zhì)量引起誤差偏大的原因，需要繼續(xù)進(jìn)行分析。

3.2 兩套外測設(shè)備比對

將一條測量船上的A套和B套設(shè)備測量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換到慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系［3］，具體公式為

式中，B（c）為進(jìn)行船姿修正時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，B（b）為進(jìn)行船體變形修正時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。i= c，b1，b2，b3，再由(x，y，z)解算目標(biāo)在公共坐標(biāo)系下的

由于星箭分離后設(shè)備A和B跟蹤目標(biāo)不一致（A跟蹤衛(wèi)星，B跟蹤火箭），我們只將星箭分離前的160 s數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

根據(jù)總聯(lián)文件約定的測量船精度指標(biāo)要求，船載設(shè)備B方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標(biāo)要求20多倍，設(shè)備A方位角系統(tǒng)誤差超過精度指標(biāo)要求近10倍，由此得出此系統(tǒng)誤差不管是因?yàn)槟奶自O(shè)備引起的，都嚴(yán)重超出了精度指標(biāo)。

3.3 外測設(shè)備與衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)比對

從比對結(jié)果我們得出結(jié)論：設(shè)備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差接近，基本符合精度指標(biāo)要求，而設(shè)備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差超過指標(biāo)要求近10倍。設(shè)備B與GPS的方位系統(tǒng)誤差和設(shè)備A與GPS的方位系統(tǒng)誤差之間的差值正好為兩設(shè)備比對的系統(tǒng)誤差，由此可判斷設(shè)備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。

4 誤差原因分析

通過船載測控系統(tǒng)與箭載GPS數(shù)據(jù)的比對，我們確定了測控設(shè)備B的方位角系統(tǒng)誤差偏大。下面具體分析引起這個誤差的原因。通過查閱外測數(shù)據(jù)處理模型可知，設(shè)備A與設(shè)備B測角數(shù)據(jù)處理流程基本一致，因此可以排除船搖、變形、電波折射（對方位無影響）的影響，需要從參數(shù)配置、系統(tǒng)誤差修正模型、零值修正方法中查找問題［5］。

4.1 系統(tǒng)誤差修正

角度量的系統(tǒng)誤差修正主要包括天線座水平誤差、方位軸和俯仰軸垂直誤差、光機(jī)軸不平行誤差、動態(tài)滯后誤差和天線重力變形誤差。系統(tǒng)誤差修正模型如下：

式中，ΔEZ為俯仰動態(tài)滯后，ΔAZ為方位動態(tài)滯后，ΔEg為重力下垂量（若無重力下垂，計(jì)算時置0），R′、E′、A′為軸系誤差修正后的觀測資料。

從上面的修正公式中可以得出數(shù)據(jù)處理過程需要配置的現(xiàn)場測量參數(shù)：大盤不水平最大傾斜量βm，大盤不水平最大傾斜方向Am，俯仰軸／方位軸不正交度δm，俯仰軸／光軸不正交Sb，光電偏差Cs和Ce。這些值大部分都是在塢內(nèi)標(biāo)校和海上校飛過程中經(jīng)過多次檢測最終確定的，任務(wù)中基本不做改動；而光電偏差Cs和Ce的最終確定，是在任務(wù)前用跟蹤標(biāo)定球的方法進(jìn)行標(biāo)定獲取的。經(jīng)了解，本次任務(wù)中光電偏差值的標(biāo)定方法與以往一致，可排除光電偏差使用錯誤的可能性。

我們將測量船實(shí)戰(zhàn)任務(wù)中實(shí)時發(fā)往西安衛(wèi)星測控中心的設(shè)備B瞬時站址數(shù)據(jù)（1點(diǎn)／秒）與事后處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)與事后記錄數(shù)據(jù)比對結(jié)果一致，說明系統(tǒng)誤差修正的參數(shù)設(shè)置沒有問題。這就排除了事后數(shù)據(jù)處理中系統(tǒng)誤差修正環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置出錯的可能性。難道是標(biāo)定參數(shù)有變化？需要繼續(xù)進(jìn)行分析。

設(shè)備A、設(shè)備B與箭載GPS比對的方位角系統(tǒng)誤差殘差如圖3所示。

從圖3可以看出，兩條殘差曲線變化趨勢基本一致，存在的問題有以下兩個。

（1）航捷點(diǎn)處殘差變化趨勢與動態(tài)滯后一致

經(jīng)過分析，設(shè)備數(shù)據(jù)本身在航捷點(diǎn)處有動態(tài)滯后問題，而箭載GPS數(shù)據(jù)沒有動態(tài)滯后，事后數(shù)據(jù)處理過程中兩套設(shè)備均未進(jìn)行動態(tài)滯后誤差修正。我們將設(shè)備與GPS數(shù)據(jù)作差后，殘差曲線的動態(tài)滯后情況與圖3中航捷點(diǎn)以外的曲線變化趨勢一致。

（2）數(shù)據(jù)存在固定偏差

圖3中兩條殘差曲線一直存在一個固定偏差，排除了重力下垂、光電偏差量計(jì)算方法的問題。從偏差的大小來看，零值修正可能是引起系統(tǒng)誤差的原因。

4.2 零值修正

4.2.1 方位角度零位記憶裝置

將TH010經(jīng)緯儀安裝在天線規(guī)定位置上，使其位于設(shè)備方位旋轉(zhuǎn)中心，并仔細(xì)調(diào)整，使經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)盤平面與設(shè)備的方位轉(zhuǎn)盤平面平行。被測天線順時針或逆時針（應(yīng)只選擇一個方向）轉(zhuǎn)動方位，對準(zhǔn)方位刻線后讓天線方位靜止。TH010經(jīng)緯儀對準(zhǔn)一個距離大于1 km、仰角接近0°的目標(biāo)，讀取方位軸角編碼器讀數(shù)Acoi和TH010經(jīng)緯儀讀數(shù)Aji。重復(fù)對刻線5次以上。

在塢內(nèi)標(biāo)校時，對角度零位記憶裝置的指向（記憶值）和重復(fù)精度進(jìn)行了標(biāo)定。記住了這個記憶值就等于記住了坐標(biāo)取齊時軸角編碼器的位置，等于記住了設(shè)備的甲板零位。這是測量船出塢后在海上實(shí)現(xiàn)無方位標(biāo)、無標(biāo)校塔標(biāo)的重要技術(shù)措施。

4.2.2 問題分析

在塢內(nèi)標(biāo)校時，對設(shè)備B方位、俯仰刻線的指向和重復(fù)精度進(jìn)行了標(biāo)定。在海上執(zhí)行任務(wù)前，只要對準(zhǔn)方位、俯仰刻線，軸角編碼器保持塢內(nèi)標(biāo)定的記憶值不變，就保持了設(shè)備的方位、俯仰零位。我們查看設(shè)備B在任務(wù)中的方位零值與設(shè)備最近一次塢內(nèi)標(biāo)校結(jié)果基本一致，既然設(shè)備的零值與標(biāo)校結(jié)果一致，難道是零值本身發(fā)生了變化引起的誤差？我們來分析這種可能性。

對測量船而言，由于從起航點(diǎn)到測量海域需要經(jīng)過漫長的航渡過程，在此期間，設(shè)備將在風(fēng)吹浪打中經(jīng)受沖擊、振動、溫差、鹽霧腐蝕等多種惡劣環(huán)境的影響，因此而產(chǎn)生的設(shè)備故障和技術(shù)狀態(tài)改變是不可避免的［6］。為了明確方位零值是否發(fā)生了變化，我們與設(shè)備研制方人員進(jìn)行了交流，了解到本次任務(wù)出航前，測量船設(shè)備B對刻線時發(fā)現(xiàn)方位零位記憶裝置有松動，技術(shù)人員對方位的零位記憶裝置進(jìn)行了拆卸，發(fā)現(xiàn)在刻線基準(zhǔn)下有大量的干黃油、鐵銹，清洗后進(jìn)行了重新安裝。由于零位記憶裝置有定位銷固定，重新安裝后基本恢復(fù)到原位置，于是按塢內(nèi)標(biāo)校成果調(diào)整了碼盤值作為記憶基準(zhǔn)。出海后，先后進(jìn)行了4次對刻線檢查，方位零位一直穩(wěn)定、重復(fù)性好。但是，查閱了以往對刻線的歷史記錄后可以看出：從前一次任務(wù)后到本次任務(wù)時，設(shè)備B方位對刻線時碼盤累計(jì)調(diào)整量增大了近10倍，這個數(shù)值與本次任務(wù)事后數(shù)據(jù)處理的結(jié)果相當(dāng)，而且前一次任務(wù)設(shè)備A與設(shè)備B方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差是符合精度指標(biāo)的。

據(jù)此，基本可以認(rèn)為設(shè)備B在此次任務(wù)中方位角系統(tǒng)誤差偏大的原因是其方位零位發(fā)生了變化，具體原因是刻線受黃油、鐵銹等影響產(chǎn)生了扭曲變形所致。

問題已經(jīng)基本明確，我們將設(shè)備B方位零值修正后重新進(jìn)行外測數(shù)據(jù)事后處理，兩套外測設(shè)備方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差由原來超出精度指標(biāo)數(shù)十倍減小為零點(diǎn)幾倍，數(shù)值在精度允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

在后續(xù)的海上測量任務(wù)中，將設(shè)備B方位零值按修正值進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備A與設(shè)備B之間方位角比對殘差的系統(tǒng)誤差在精度指標(biāo)允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了上述修改方位零值的正確性。目前，測量船設(shè)備B的方位零位經(jīng)多次對刻線檢查，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足實(shí)際測量任務(wù)的需要。

［1］劉利生.外彈道測量數(shù)據(jù)處理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

LIU Li-sheng.Data Processing of Exterior Trajectory［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2002.（in Chinese）

［2］李輝芬，張忠華，朱偉康，等.船載設(shè)備測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果的綜合分析方法［J］.飛行器測控學(xué)報(bào)，2008，27（6）：65-70.

LIHui-fen，ZHANG Zhong-hua，ZHUWei-kang，et al. The Exterior Tracking＆Measuring Data Analyzing and Processing of Instrumentation Ship［J］.Journal of Spacecraft TT＆CTechnology，2008，27（6）：65-70.（in Chinese）

［3］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.基于比對分析技術(shù)的船載設(shè)備故障分析［J］.無線電工程，2009，39（4）：30-35.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Ship-borne Equipments of FaultAnalysis Based on Comparison Analysis Technique［J］.Radio Engineering of China，2009，39（4）：30-35.（in Chinese）

［4］李輝芬，朱偉康，周朝猛，等.船載USB瞬時站址殘差異常情況分析［J］.電訊技術(shù)，2010，50（2）：57-62.

LIHui-fen，ZHUWei-kang，ZHOU Chao-meng，et al. Exceptional Phenomenon Analysis of Instrumentation Ship′s USB Residual Error［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（2）：57-62.（in Chinese）

［5］李輝芬，周錦標(biāo)，何劍偉，等.航天測量船外測數(shù)據(jù)異常值自適應(yīng)處理算法設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51（4）：54-59.

LIHui-Fen，ZHOU Jin-biao，HE Jian-wei，et al.Adaptive Processing of Abnormal Value in Measured Data by Space Tracking Ship［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（4）：54-59.（in Chinese）

［6］江文達(dá).航天測量船［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：13-129.

JIANGWen-da.Space Tracking Ships［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2002：13-129.（in Chinese）

CHEN Hong-ying was born in Yingshan，Sichuan Province，in 1982.She received the B.S.degree in 2005.She is now an engineer.Her research concernsmaritime measurement data processing and precision analysis.

李輝芬（1968—），女，云南人，高級工程師，長期從事海上測量數(shù)據(jù)處理工作；

LIHui-fen was born in Yunan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concernsmaritimemeasurement data processing.

吳君（1982—），男，江蘇人，工程師，長期從事海上測控設(shè)備研究方面的工作；

WU Jun was born in Jiangsu Province，in 1982.He is now an engineer.His research concernsmaritime TT＆C equipment.

Email：wujun2001＠sina.com

楊磊（1983—），男，甘肅人，工程師，長期從事海上測量數(shù)據(jù)處理工作。

YANG Leiwasborn in Gansu Province，in 1983.He isnow an engineer.His research concernsmaritimemeasu rement data processing.

Analysis of and Solution to Relatively Large Azimuth System Error Problem in a Task by Space TT＆C Ship

CHEN Hong-ying，LIHui-fen，WU Jun，YANG Lei
（China Satellite Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

In data processing of a task by space TT＆C ship，it is found out that the azimuth error is relatively large through comparing the data of twomeasurementequipment.By calculating and comparing the data of rocket -borne GPS，possible factors causing the large azimuth error are analysed and the reason is found.The error is corrected by equipment onboard ship.The zero-value correctionmethod proposed is validated through investigation and analysis，which provides reference for such problems.

space TT＆C ship；data processing；system error；azimuthmeasurement；zero-value correction

TN911；V55

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.015

陳紅英（1982—），女，四川營山人，2005年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｉ蠝y量數(shù)據(jù)處理與精度分析；

1001-893X（2011）10-0071-05

2011-05-31；

2011-08-11