王益忠，葉玲玲

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

測控設(shè)備測角精度標(biāo)定技術(shù)一直是航天測量船重點(diǎn)研究方向之一。目前，航天測量船測控設(shè)備進(jìn)行測角精度標(biāo)定主要采用塢內(nèi)標(biāo)校、海上校飛、碼頭有塔標(biāo)校、海上施放信標(biāo)球驗(yàn)證等一系列程序來完成?？v觀整個(gè)測控設(shè)備標(biāo)校過程可以發(fā)現(xiàn):海上測角精度標(biāo)定是影響整個(gè)測控系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前測量船主要采取海上施放信標(biāo)球來進(jìn)行測控設(shè)備的任務(wù)前角度標(biāo)定，其過程一方面依賴于測控光學(xué)設(shè)備測量精度和海上氣象條件限制，多次任務(wù)測試表明應(yīng)用施放信標(biāo)球標(biāo)定光電偏差結(jié)果隨機(jī)誤差較大;另一方面該方法并不包含船姿船位測量誤差引起的測控設(shè)備測角誤差。因此，研究測控設(shè)備新的海上測角精度標(biāo)定方法非常必要。

1 船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)

1.1 船載GPS探空系統(tǒng)

氣象探測設(shè)備是測量船重要設(shè)備之一，其測量的高空氣象數(shù)據(jù)是電磁波折射修正、電波傳輸時(shí)延修正以及低仰角大氣折射修正的重要參數(shù)。目前，測量船裝備使用了GPS高空探測系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)由氣球攜帶的GPS數(shù)字探空儀和船載接收處理設(shè)備2部分組成，利用GPS衛(wèi)星信號實(shí)時(shí)測定探空氣球自由上升過程的飛行軌跡，由此計(jì)算出氣球飛行過程的速度矢量，從而得到任意高度的風(fēng)矢量。此外，在探空儀中配置了各類溫、濕、壓傳感器，可以測出不同高度的溫度、壓力、相對濕度等氣象參數(shù)。設(shè)備組成如圖1所示［1］。

圖1 GPS高空氣象探測設(shè)備組成Fig.1 GPS sounding equipment composition

探空儀中的溫、濕、壓傳感器測量得到的溫度、壓力、相對濕度等信息經(jīng)處理成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與氣球攜帶的GPS接收機(jī)得到的數(shù)據(jù)一起經(jīng)單片機(jī)合成編碼后通過UHF發(fā)射機(jī)送回地面。船上GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信息 (星歷、歷書等)，該信息與UHF接收的數(shù)據(jù)一起送入主處理機(jī)進(jìn)行氣球位置及其飛行軌跡的解算，得到不同高度的溫、濕、壓和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

1.2 船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)

1.2.1 標(biāo)校原理

船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)采用“硬比較法”進(jìn)行船載測控設(shè)備標(biāo)校。所謂“硬比較法”就是選用精度高的測量設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，被鑒定設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備同時(shí)測量相同目標(biāo)，然后按被鑒定設(shè)備的被鑒定元素比較二者的測量結(jié)果，通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算被鑒定設(shè)備的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。船載測控設(shè)備GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)基本原理如下:

1)利用GPS高空探測設(shè)備跟蹤探空氣球獲取氣球的高精度定位，實(shí)時(shí)錄取標(biāo)校點(diǎn) (氣球)的經(jīng)緯度、高程數(shù)據(jù)，形成標(biāo)校點(diǎn)GPS高空位置數(shù)據(jù)文件A，記錄格式為 (時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度);

2)通過測量船船姿船位系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄測控天線的大地坐標(biāo)文件B，記錄格式為 (時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度);

3)船載測控設(shè)備跟蹤信標(biāo)球，實(shí)時(shí)錄取測量數(shù)據(jù)文件C，記錄格式為 (北京時(shí)間、距離、方位角、俯仰角);

針對數(shù)據(jù)文件A和B，通過坐標(biāo)變換、靜態(tài)解算、時(shí)空統(tǒng)一，求出測量船測控天線與標(biāo)校點(diǎn)之間的相對空間數(shù)據(jù)文件D(北京時(shí)間、距離、方位角、俯仰角)。對文件C和文件D的距離、角度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，即可獲得船載測控系統(tǒng)誤差。假設(shè)基于GPS定位數(shù)據(jù)文件A和B數(shù)據(jù)精確可靠，則該系統(tǒng)完全可以作為船載測控設(shè)備測角精度標(biāo)定依據(jù)。

1.2.2 系統(tǒng)組成

船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)在保持原有各系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只需將船載測控設(shè)備信標(biāo)球置于GPS探空儀氣球上即可。船載GPS探空系統(tǒng)跟蹤探空儀上的UHF天線，接收解算探空儀GPS位置數(shù)據(jù);船載測控天線跟蹤信標(biāo)球，記錄天線角度距離數(shù)據(jù);船姿船位系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算記錄測控天線的大地坐標(biāo)文件;船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)組成原理Fig.2 Shipboard GPS sounding calibration system composition principle

1.2.3 數(shù)據(jù)處理流程

船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 船載GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Shipboard GPS sounding calibration system data processing flow chart

2 數(shù)學(xué)模型及精度分析

2.1 船載測控設(shè)備與標(biāo)校點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1.1 大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系

船載測控設(shè)備和標(biāo)校點(diǎn)測量［2］得到的大地坐標(biāo)(λ，L，H)數(shù)據(jù)需換算成地心坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)(Xe，Ye，Ze)進(jìn)行。地心坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地心，Xe和Ye軸互相垂直并固定在赤道平面上，Ze軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，由地心向外指向格林威治子午圈與赤道的交點(diǎn)，各坐標(biāo)軸與地球固定連接。轉(zhuǎn)換公式為

式中:H為高程數(shù)據(jù);N=a/(1－e2sinL)1/2;a為地球的長半軸;e2為第一偏心率的平方;GPS系統(tǒng)采用WGS－84坐標(biāo)系，其中:a=6378.137，e2=0.00669437999013。

2.1.2 地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地平坐標(biāo)系

地平坐標(biāo)系的原點(diǎn)在測量設(shè)備三軸中心，X軸為正東方向，Y軸為正北方向，Z軸垂直于XOY平面。標(biāo)校點(diǎn)在測量地平坐標(biāo)系中的位置(X，Y，Z)為

(λ0，L0)為測量設(shè)備三軸中心的大地經(jīng)緯度。

2.1.3 測量地平系中標(biāo)校點(diǎn)的極坐標(biāo)計(jì)算

利用下列公式計(jì)算標(biāo)校點(diǎn)位置在船載測控天線測量地平坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)(D，A，E)。

式中:D為距離;A為方位角;E為俯仰角。

2.2 標(biāo)校數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

設(shè){Dgi}，{Agi}，{Egi}分別為第 i(i=1，2，…，N)時(shí)刻利用GPS探空系統(tǒng)與船位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的角度值和距離值;{Dri}，{Ari}，{Eri}分別為第i(i=1，2，…，N)時(shí)刻船載測控設(shè)備測量得到的角度值和距離值。對遠(yuǎn)距離測量數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行分段計(jì)算，每段數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量N設(shè)為300～500，數(shù)據(jù)比較誤差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法如下:

2.3 精度分析

通過上述分析可以看出，影響該測角精度標(biāo)定的主要因素如下:

1)測量船姿態(tài)誤差帶來的測量設(shè)備三軸中心換算誤差;

2)GPS定位儀與信標(biāo)球位置不一致誤差;

3)GPS探空儀和船載衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)定位誤差。

上述3種誤差中，測量船姿態(tài)測量設(shè)備使用了慣導(dǎo)系統(tǒng)，精度很高，因素1)影響很小，可以忽略;其次信標(biāo)球和探空儀位置誤差很小，因素2)也可以忽略。根據(jù)GPS探空系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)指標(biāo)，GPS定位精度為水平誤差小于3 m，垂直誤差小于6 m。針對20 km高空目標(biāo)，斜距達(dá)60～80 km，該角度誤差為十幾秒級，滿足σ標(biāo)準(zhǔn)/σ被鑒＞3～10，滿足測量船測控設(shè)備海上標(biāo)校要求。

3 結(jié)語

本文提出利用船載GPS探空儀搭建船載測控設(shè)備GPS探空標(biāo)校系統(tǒng)，為船載測控設(shè)備海上測角精度標(biāo)定提供了一種新方法。測量船海上測角精度標(biāo)定技術(shù)一直是測量船關(guān)鍵技術(shù)之一，該系統(tǒng)的研究應(yīng)用必將為測量船提高測控精度發(fā)揮巨大作用。隨著我國二代導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)加快，利用二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)代替GPS定位系統(tǒng)將逐步成為可能，標(biāo)校精度將會得到進(jìn)一步提高;同時(shí)該技術(shù)在陸基測控系統(tǒng)同樣適用，且借助GPS差分系統(tǒng)標(biāo)校精度更高。

［1］江文達(dá).航天測量船［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.298－300.

［2］鐘德安.航天測量船測控通信設(shè)備標(biāo)校與校飛技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.205 －208.

［3］劉高峰，劉建.基于GPS定位系統(tǒng)的艦船雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28(6):100 －102.LIU Gao-feng，LIU Jian.Research on shipborne radar calibration system based on GPS positioning system［J］.Ship Science and Technology，2006，28(6):100 －102.