張長(zhǎng)輝，趙 柯，王雪晴

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

一種改進(jìn)型陸標(biāo)定位系統(tǒng)的研制

張長(zhǎng)輝，趙 柯，王雪晴

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

傳統(tǒng)的陸標(biāo)定位，采用人工觀測(cè)、手工繪算的方式，在紙制海圖上標(biāo)繪船位點(diǎn)。這樣定位速度緩慢，精度不高，所得出的船位信息無(wú)法自動(dòng)輸入到ARPA雷達(dá)等現(xiàn)代導(dǎo)航設(shè)備中去進(jìn)行輔助運(yùn)算。本文提出將現(xiàn)有的陸標(biāo)定位進(jìn)行數(shù)字化改造，利用現(xiàn)代傳感器與艦載電子海圖技術(shù)相結(jié)合，研制出一種改進(jìn)型的陸標(biāo)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以有效地解決船艇在復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航定位問(wèn)題。

復(fù)雜電磁環(huán)境；導(dǎo)航系統(tǒng)；陸標(biāo)定位

0 引 言

未來(lái)的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)將是“陸、海、空、天、電”五維一體的立體化戰(zhàn)場(chǎng)，數(shù)量龐大、體制復(fù)雜、種類多樣、功率大的電子信息裝備的大量使用，使得戰(zhàn)場(chǎng)空間中的電磁信號(hào)非常密集，形成極為復(fù)雜的電磁環(huán)境[1]。在這樣環(huán)境下，船艇現(xiàn)有的主要導(dǎo)航定位裝備，除了不依賴于電磁波工作的磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)之外，其他幾種主要裝備由于受其本身工作原理的限制，均會(huì)受到不同程度的影響[2]。而磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)主要用于陸標(biāo)定位，它的定位原理是與電磁環(huán)境無(wú)關(guān)的平面幾何原理，所以利用傳統(tǒng)的陸標(biāo)定位進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境下的船艇導(dǎo)航定位，具有先天上的優(yōu)越性[3]。但是由于以往技術(shù)條件上的限制，上述定位手段大都采用人工觀測(cè)、手工繪算的方式，在紙制海圖上標(biāo)繪船位點(diǎn)，所以定位速度緩慢，精度不高，所得出的船位信息無(wú)法自動(dòng)輸入到ARPA雷達(dá)等現(xiàn)代導(dǎo)航設(shè)備中去進(jìn)行輔助運(yùn)算。因此，本文提出將現(xiàn)有的陸標(biāo)定位進(jìn)行數(shù)字化改造，利用現(xiàn)代傳感器與艦載電子海圖技術(shù)相結(jié)合，研制一種改進(jìn)型的陸標(biāo)定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由陸標(biāo)定位原理可知：陸標(biāo)定位主要是通過(guò)測(cè)定2個(gè)或3個(gè)所觀測(cè)物標(biāo)的磁方位、物標(biāo)之間的夾角以及物標(biāo)高度等要素，進(jìn)行簡(jiǎn)單繪算后確定船位。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上由繪算部分與觀測(cè)部分組成[4]。其中觀測(cè)部分包括伺服平臺(tái)、圖像傳感設(shè)備、測(cè)角系統(tǒng)等；繪算部分包括數(shù)據(jù)處理中心以及電子海圖上層軟件。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The system composition block diagram

圖1中，觀測(cè)部分主要由手持模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)模塊和固定模塊組成，其中轉(zhuǎn)臺(tái)模塊是設(shè)計(jì)安裝在指揮臺(tái)上四周空曠的位置，其主要作用是通過(guò)船用伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，結(jié)合由透霧攝像機(jī)和紅外鏡頭組合而成的視頻系統(tǒng)，在駕駛室內(nèi)遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)船艇周?chē)rN×360°任意方位快速觀察的同時(shí)，完成當(dāng)前視野圖像的實(shí)時(shí)傳輸與采集，并對(duì)視野中的任意目標(biāo)相對(duì)船首方向的舷角大小進(jìn)行自動(dòng)化高精度測(cè)量，為船艇進(jìn)行快速定位提供關(guān)鍵信息，這次本系統(tǒng)的核心部分。手持模塊是根據(jù)設(shè)備本身對(duì)工作環(huán)境穩(wěn)定性的依賴性，相對(duì)船載轉(zhuǎn)臺(tái)完全獨(dú)立設(shè)計(jì)的一個(gè)部分，可以在指揮臺(tái)或者駕駛室內(nèi)由用戶手持使用。該部分的主要在用戶手持的相對(duì)穩(wěn)定條件下，對(duì)5 n mile(約10 km)范圍內(nèi)的陸標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距。固定模塊是相對(duì)船艇本身固定而言，該部分主要包括磁航向傳感器(配合船載磁羅經(jīng)使用)和安裝在船艇首尾和正橫方向上的1組加速度計(jì)，分別用來(lái)傳感船艇羅航向和船艇水平加速度，以供推算船位使用[5]。

繪算部分安裝在駕駛室內(nèi)，主要包括便攜式軍用工控機(jī)、操縱桿、視頻采集設(shè)備和電子海圖等軟件系統(tǒng)。該部分的作用是控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、獲取前端部分各種傳感器的回傳信息、對(duì)所有信息進(jìn)行綜合運(yùn)算處理、根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出船艇位置并在電子海圖上自動(dòng)標(biāo)繪。

2 關(guān)鍵部分的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可知，本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是轉(zhuǎn)臺(tái)模塊。

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)模塊的總體設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)模塊由方位座和俯仰包兩部分組成，包括方位軸系、俯仰軸系、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、軸承、匯流環(huán)、限位裝置、電子線路以及密封環(huán)節(jié)等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)模塊設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design of turntable module

平臺(tái)的方位和俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由支座，滾珠軸承，空心軸等組成，在其上安裝有電機(jī)轉(zhuǎn)子和角度測(cè)量單元，在俯仰傳動(dòng)軸上固定有支架，用于安裝透霧攝像機(jī)和紅外鏡頭等組件。通過(guò)支架調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到傳感器光軸與俯仰軸垂直。球型頭由方位軸支撐，其俯仰方向的旋轉(zhuǎn)由俯仰伺服傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。方位軸中嵌有小型匯流環(huán)。匯流環(huán)保證經(jīng)過(guò)方位機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部電氣(電源、操控、狀態(tài)、視頻)信息的互連。方位、俯仰軸系通過(guò)密封環(huán)節(jié)嚴(yán)密水密，球形本身嚴(yán)格氣密，以保證內(nèi)部各元器件的正常工作。

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)模塊的控制原理

系統(tǒng)接收來(lái)自操控臺(tái)的手柄或計(jì)算機(jī)的控制指令控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),采用測(cè)速編碼器反饋構(gòu)成速度閉環(huán)，接收控制計(jì)算機(jī)經(jīng)D/A變換輸出的模擬控制電壓，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，方位編碼器和俯仰編碼器實(shí)時(shí)傳遞方位角度信息和俯仰角度信息給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)串口上報(bào)轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息給操控臺(tái)上位機(jī)。另外在俯仰的極限位置裝有電器止檔和機(jī)械止檔，控制計(jì)算機(jī)的程序中還設(shè)有軟件限位功能,伺服轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理Fig.3 The control systems of servo turntable

2.3 控制計(jì)算機(jī)

控制計(jì)算機(jī)是轉(zhuǎn)臺(tái)模塊控制的中心，它的功能主要包括2個(gè)方面：一是根據(jù)不同的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作控制，它包括開(kāi)啟與閉合系統(tǒng)，調(diào)節(jié)傳感器，控制方位、俯仰旋轉(zhuǎn)等；二是能完成平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理功能，如伺服系統(tǒng)控制、D/A及A/D變換。

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)地址邏輯譯碼電路分別選通，采用FPGA進(jìn)行邏輯控制與DSP進(jìn)行總線擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)外部的復(fù)雜邏輯控制?？刂朴?jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The hardware structure of control computer

2.4 測(cè)角單元

測(cè)角線路的功能是測(cè)量傳感器圖像所處的艦船坐標(biāo)系的高度和方位角。為伺服系統(tǒng)提供角位置反饋信息，形成位置閉環(huán)。

測(cè)角單元包括俯仰測(cè)角和方位測(cè)角，二路測(cè)角原理和組成相同，包括角度傳感器(光電-絕對(duì)值式軸角編碼器)，信號(hào)激磁電路，粗/精RDC轉(zhuǎn)換電路，粗/精組合糾錯(cuò)電路，時(shí)序發(fā)生電路，數(shù)據(jù)輸出緩沖電路等組成。其原理如圖5所示，旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦信號(hào)，經(jīng)RDC電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量形式，經(jīng)組合編碼后，得出艦船坐標(biāo)系的高低角和方位角。

圖5 測(cè)角單元原理框圖Fig.5 The principle of angle measurement

2.5 操控單元方案

操控單元由操縱桿、鍵盤(pán)和數(shù)據(jù)處理電路組成。操縱桿上的壓力傳感器和電壓轉(zhuǎn)換電路，提供驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)方位和俯仰運(yùn)動(dòng)的電壓偏差量信息；通過(guò)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由單片機(jī)讀入，通過(guò)異步串行接口發(fā)送給控制管理模塊。鍵盤(pán)主要用于控制系統(tǒng)的狀態(tài)，鍵盤(pán)命令也通過(guò)串行接口發(fā)送給控制管理模塊。當(dāng)壓力傳感器左右壓動(dòng)時(shí)，電壓值通過(guò)運(yùn)算放大器放大后，送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)單片機(jī)處理，通過(guò)RS232或者RS422串行口以規(guī)定的報(bào)文格式輸出。

3 基本原理

本系統(tǒng)中在獲取物標(biāo)之間的水平角時(shí)，采用了一次成像法。所謂一次成像法就是針對(duì)小于70°的物標(biāo)夾角，通過(guò)一次成像的方式，獲取2個(gè)物標(biāo)在同一幅數(shù)碼照片里所處的位置，通過(guò)計(jì)算，得到2個(gè)物標(biāo)之間的夾角。這種方法與傳統(tǒng)的測(cè)角法相比，能夠最大程度上消除了分步測(cè)量所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)誤差，并且只需要2個(gè)待測(cè)物標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在成像范圍之內(nèi)即可，對(duì)瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求不高，卻能保證較好的測(cè)量精度。

圖6 一次成像法角度測(cè)量原理圖Fig.6 The principle of angle measurement with once imaing

可通過(guò)圖6說(shuō)明一次成像法的理論推導(dǎo)。利用相機(jī)對(duì)物標(biāo)A、物標(biāo)B進(jìn)行一次成像，則圖中物標(biāo)A、物標(biāo)B在鏡頭后面底片上的成像點(diǎn)分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)，假定這兩點(diǎn)與底片中心線之間的橫向距離分別為d2和d1，底片中心線到底片橫向外沿的距離為l,那么根據(jù)圖示不難得出：

也即：

式中，L為數(shù)碼相片橫向象素點(diǎn)數(shù)量；D1和D2為相片中物標(biāo)點(diǎn)偏離相片中心線的象素點(diǎn)數(shù)量。β角可以預(yù)先測(cè)量得到。所以，要測(cè)量物標(biāo)A、物標(biāo)B相對(duì)于攝像機(jī)鏡頭的夾角大小，只需要在事先測(cè)得β角的前提下，從數(shù)碼相片上量出物標(biāo)A、物標(biāo)B的像偏離相片中心線的象素點(diǎn)值，即可根據(jù)上述公式計(jì)算出角α。

4 系統(tǒng)誤差分析[6]

該系統(tǒng)所采用陸標(biāo)定位方法主要有兩標(biāo)方位定位、三標(biāo)方位定位、三標(biāo)兩角定位、兩標(biāo)距離定位等。在以上諸定位方法中，應(yīng)用到的船位線主要有方位船位線、距離船位線、水平角船位線。

只要知道觀測(cè)值均方差，根據(jù)物標(biāo)與船位之間的距離或兩物標(biāo)間的距離，即可得到船位線的均方差。

兩標(biāo)方位船位的均方誤差圓半徑為：

三標(biāo)兩角船位的均方誤差圓半徑為：

式中：mα為觀測(cè)水平角均方差，(′)；θ為兩船位線夾角；DA、DB、DC分別為觀測(cè)船位到左、中、右標(biāo)的距離，n mile；DAB和DBC分別為左標(biāo)與中標(biāo)、中標(biāo)與右標(biāo)之間的距離，n mile。

兩標(biāo)距離船位均方誤差圓半徑為：

三標(biāo)定位，由3條船位線確定最概率船位，其均方差為：

式中：Ei,i∈[1,3]為各船位線的均方差；θij,i,j∈[1,3],i≠j。

三標(biāo)方位定位時(shí)，則E1=m1D1,E2=m2D2,E3=m3D3。若m1=m2=m3，三標(biāo)方位定位的最概率船位的均方差為：

三標(biāo)距離定位時(shí)，最概率船位的均方差為：

式中：mD1，mD2，mD3分別為觀測(cè)三標(biāo)距離時(shí)的均方差。若mD1=mD2=mD3，則

本系統(tǒng)中所采用的測(cè)量?jī)x器有磁羅經(jīng)(磁航向傳感器)、電子六分儀和激光測(cè)距儀。其中，本導(dǎo)航系統(tǒng)中激光測(cè)距儀的測(cè)中范圍為5 n mile，測(cè)距精度約為1 m；電子六分儀的測(cè)角誤差為1″，測(cè)水平角的誤差為3″,磁航向傳感器的精度為6分(0°.1)，電子海圖屏幕像素為60×60/1024=3′。

本系統(tǒng)測(cè)方位時(shí)考慮到磁航向傳感器的精度，均方差約為±0°.5，羅經(jīng)差的均方差約為±0°.6，在海圖上標(biāo)繪方位線受屏幕像素影響時(shí)均方差為±0°.1，上述各項(xiàng)均為相互獨(dú)立的誤差，故其綜合的均方差為

測(cè)水平角時(shí)，考慮測(cè)角誤差為0′.6，海圖上標(biāo)繪誤差為3′.0，六分儀器差約為1′.0，得到水平角船位線的均方差為

4.1 兩標(biāo)方位定位船位均方誤差圓半徑

選取系統(tǒng)的最大作用距離(5 n mile)處的物標(biāo)，設(shè)測(cè)得的兩物標(biāo)的船位線均方差均為0°.79，并設(shè)兩方位船位線的夾角為選標(biāo)要求最不利的角度(30°)，則該系統(tǒng)兩方位定位時(shí)的最大船位誤差圓半徑為

0.195 n mile=360.6 m。

當(dāng)物標(biāo)距離愈近，船位線夾角越接近90°，M值越小。

4.2 三標(biāo)方位定位船位均方誤差圓半徑

選取系統(tǒng)的最大作用距離(5 n mile)處的物標(biāo)，設(shè)測(cè)得的兩物標(biāo)的船位線均方差均為0°.79，經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)兩方位線夾角θ12=160°，θ12=30°，θ13=170°，距離D1=D2=D2=5′.0時(shí)，三標(biāo)方位定位船位均方誤差圓半徑達(dá)到最大值，為M=0.2 n mile。

4.3 水平角定位(三標(biāo)兩角定位)船位均方誤差

測(cè)角均方誤差為3′.2。從水平角定位船位均方誤差公式分析，引起船位誤差最大值為中標(biāo)距離遠(yuǎn)，中標(biāo)與右標(biāo)、中標(biāo)與右標(biāo)距離近，船位線夾角小于30°或大于150°。經(jīng)分析以中標(biāo)距離最遠(yuǎn)5 n mile，中標(biāo)與右標(biāo)2 n mile，中標(biāo)與右標(biāo)距離近2 n mile，船位距左標(biāo)(或右標(biāo))為5 n mile，與另一標(biāo)為4 n mile，船位線夾角達(dá)最大150°時(shí)分析，代入下式，得水平角定位時(shí)最大船位誤差為0.029 n mile，約為55 m。

4.4 兩標(biāo)距離定位船位均方誤差

綜上分析，該系統(tǒng)最大誤差在陸標(biāo)定位允許范圍之內(nèi)，能夠滿足航海的要求。

5 海上試驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢測(cè)本系統(tǒng)在海上航行環(huán)境下的工作穩(wěn)定性、定位精度和定位速度。在海上進(jìn)行了海試，試驗(yàn)海區(qū)和計(jì)劃航線如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)航行海區(qū)及計(jì)劃航線Fig.7 The area and planned route of sea trials

通過(guò)本系統(tǒng)，分別采用兩標(biāo)方位定位、三標(biāo)方位定位、三標(biāo)兩角定位、兩標(biāo)距離定位，測(cè)得8個(gè)船位，同一時(shí)刻也用GPS測(cè)得船位，用GPS測(cè)得船位點(diǎn)和本系統(tǒng)所測(cè)得船位點(diǎn)，如表1所示。

表1 GPS所測(cè)船位和本系統(tǒng)所測(cè)船位比較表

Tab.1 The data of improved terrestrial fixing system and GPS receiver

起始時(shí)間/[(°)·(')·(″)]結(jié)束時(shí)間/[(°)·(')·(″)]實(shí)測(cè)船位/[(°)·(')·(″)]GPS船位/[(°)·(')·(″)]偏差方向/(°)偏差距離/(nmile)10∶21∶0210∶21∶2729.54.52N122.11.18E29.54.54N122.11.23E65.30.0810∶35∶1510∶35∶4329.53.32N122.11.46E29.53.33N122.11.49E82.60.0510∶45∶1210∶45∶5729.51.26N122.12.22E29.51.26N122.12.24E90.00.0310∶50∶0310∶50∶5129.51.09N122.11.54E29.51.11N122.11.52E318.90.0411∶10∶2011∶10∶5129.49.41N122.09.59E29.49.43N122.09.58E336.70.0311∶13∶5811∶14∶2629.49.41N122.09.16E29.49.41N122.09.15E270.00.0112∶02∶3412∶02∶4029.48.21N122.07.48E29.48.22N122.07.54E77.20.0912∶11∶2312∶11∶4029.47.20N122.08.29E29.47.22N29.47.22N269.70.09

圖8 GPS船位和本系統(tǒng)所測(cè)船位對(duì)比Fig.8 The voyage chart with different navigation methods and GPS receiver

用GPS所測(cè)得的航跡與用本系統(tǒng)所測(cè)得的航跡疊加如圖8所示。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

1)本系統(tǒng)的硬件設(shè)備能夠適應(yīng)船載工作環(huán)境，在整個(gè)為期一周的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障或異常；

2)本系統(tǒng)能夠快速(最快15 s，兩標(biāo)距離定位)、準(zhǔn)確(陸標(biāo)定位誤差小于0.1 n mile)地進(jìn)行航行中的船位測(cè)定工作。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)陸標(biāo)定位手工操作、定位速度慢等問(wèn)題，本文提出一種基于現(xiàn)代傳感器與艦載電子海圖技術(shù)的新型導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)充分利用了海上各種助航物標(biāo)先天不易受干擾和破壞的條件，有效地解決復(fù)雜電磁環(huán)境下船艇的導(dǎo)航定位問(wèn)題。通過(guò)海上實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，定位精度滿足軍事航海上的要求。

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Development of improved terrestrial fixing system

ZHANG Chang-hui,ZHAO Ke,WANG Xue-qing

(Zhenjang Watercraft College,Zhenjang 212003,China)

In traditional terrestrial fixing, people plotted the ship′s position on the paper chart through daily observation and hand painting.This causes the slow positioning speed,the low accuracy and that the ship′s position information cannot be input automatically into the ARPA radar and other modern navigation equipments to fulfill the auxiliary operations.The article suggests that the existing terrestrial fixing system should carry out digital transformation,during which modern sensors and shipboard electronic chart technology can be combined to use.Thus an improved terrestrial fixing system can be developed to effectively solve the watercraft′s navigation and positioning in a complex electromagnetic environment.

complex electromagnetic environment;navigation system;terrestrial fixing

2013-04-01；

2013-05-28

張長(zhǎng)輝(1981-),男，碩士，講師,從事船艇航海技術(shù)研究。

U675.79

A

1672-7649(2014)07-0131-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.028