何　晶，黃　瓊，徐先春，陳紅英

(中國衛(wèi)星海上測控部，　江蘇 江陰 214431)

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船載測量設(shè)備光電偏差動(dòng)態(tài)評估方法

何晶，黃瓊，徐先春，陳紅英

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

摘要：在現(xiàn)有光電偏差標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，針對海上動(dòng)態(tài)環(huán)境下多種方法測量及標(biāo)定船載測量設(shè)備光電偏差結(jié)果一致性較差且難以選擇的問題，提出了一種船載測量設(shè)備光電偏差計(jì)算及動(dòng)態(tài)評估方法。該方法利用空間目標(biāo)精軌信息能夠反演計(jì)算高精度測元的特性，結(jié)合船載測量設(shè)備的測量數(shù)據(jù)建立測量方程計(jì)算光電偏差，以該計(jì)算結(jié)果為理論值對多種方法得到的光電偏差進(jìn)行多屬性優(yōu)選，實(shí)測數(shù)據(jù)表明能有效解決動(dòng)態(tài)測量情況下直接標(biāo)定結(jié)果差異較大難以取舍的難題。

關(guān)鍵詞：光電偏差；船載測量設(shè)備；多屬性優(yōu)選；動(dòng)態(tài)評估

0引言

船載無線電測量為單站定位模式，主要測量元素有測距、測角和測速。根據(jù)誤差傳播規(guī)律，該體制測量目標(biāo)的定位精度與上述測元均有關(guān)，其中測角誤差對定位精度的影響與測距成正比[1]，極大地影響遠(yuǎn)距離航天目標(biāo)的定位精度。因此，盡可能地提高船載測量設(shè)備測角精度將有效提高船載無線電設(shè)備的單點(diǎn)定位精度。

船載設(shè)備測角數(shù)據(jù)只有經(jīng)過零值、軸系誤差、電波折射等一系列誤差修正才能進(jìn)行最終的定軌計(jì)算。光電偏差是軸系誤差修正的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。船載無線電設(shè)備測量空間目標(biāo)時(shí)記錄電軸的測量數(shù)據(jù)，而設(shè)備電軸的標(biāo)定是依靠光軸進(jìn)行的，在數(shù)據(jù)處理中需進(jìn)行光電偏差修正以消除光軸與電軸的系統(tǒng)差異。因此，光電偏差是否準(zhǔn)確，即光電軸是否匹配自然會(huì)直接影響設(shè)備測角數(shù)據(jù)的精度。測量船進(jìn)行光電偏差修正的方法有多種，除了在碼頭或塢內(nèi)采用的對塔標(biāo)定法外，近年來還陸續(xù)研究了一些新方法，如：在海上普遍采用的標(biāo)定球法[2]或空間目標(biāo)法[3]。

以往在船舶準(zhǔn)靜態(tài)條件(錨泊、系泊)下，選擇光電偏差參數(shù)時(shí)，通常以塢內(nèi)對塔標(biāo)定值為參照基準(zhǔn)。但由于測量船長時(shí)間在海上航行，受海風(fēng)、涌浪等不確定因素的影響，船舶的扭擺、振動(dòng)很可能造成測量光軸與電軸之間的變化，從而引起光電偏差數(shù)值的變化。這種情況下，當(dāng)采用上述方法得到的光電偏差標(biāo)定值不一致時(shí)，如何判定光軸與電軸的真實(shí)狀態(tài)，怎樣選擇光電偏差參數(shù)作為計(jì)算值，是擺在我們面前的一個(gè)難題。因此，本文提出了一種新的光電偏差優(yōu)選方法——基于理論反演的光電偏差動(dòng)態(tài)評估方法。

1基本原理

1.1光電偏差

無線電設(shè)備光軸與電軸的不平行度稱為光電偏差，亦稱光電不匹配或光電失配 。天線拋物面變形、饋源偏移和抖動(dòng)等因素會(huì)引起光電偏差的變化，因此需要不定期進(jìn)行標(biāo)定。

光電偏差有橫向(方位光電偏差)和縱向(俯仰光電偏差)兩個(gè)分量，分別造成方位角測量誤差和俯仰角測量誤差，即

(1)

式中：Cs為方位光電偏差；ΔA為造成方位角誤差；Ce為俯仰光電偏差；ΔE為造成俯仰角誤差。

1.2傳統(tǒng)船載設(shè)備光電偏差標(biāo)定方法

1.2.1對塔標(biāo)定方法

對塔標(biāo)定方法主要通過控制無線電設(shè)備天線對準(zhǔn)標(biāo)校塔的光電標(biāo)靶板上的對稱靶標(biāo)，并將標(biāo)校電視鎖定有效的光脫靶量數(shù)據(jù)記錄下來，選擇誤差電壓為零對應(yīng)的數(shù)據(jù)直接計(jì)算光電偏差，即

(2)

式中：Ewi為第i次記錄光脫靶量時(shí)目標(biāo)的俯仰角度；ΔAwi和ΔEwi分別為第i次記錄的方位、俯仰光脫靶量；ΔEg為重力下垂誤差；i為重復(fù)測量序號(hào)，i=1,2,…,n,n≥5。

1.2.2標(biāo)定球方法

首先施放裝有合作目標(biāo)的探空氣球，待探空球飛離設(shè)備天線的距離滿足設(shè)備測量的遠(yuǎn)場條件后，采用主天線電軸自跟蹤模式，并選取標(biāo)校電視鎖定有效情況下錄取的光脫靶量數(shù)據(jù)，利用式(2)計(jì)算光電偏差。該方法計(jì)算光電偏差需要考慮視差修正，即標(biāo)校電視光軸與天線電軸中心的位置偏差修正，包括水平偏差和垂直偏差[3]。

1.2.3空間目標(biāo)法

空間目標(biāo)法，即通過跟蹤低軌空間目標(biāo)(通常為標(biāo)校衛(wèi)星)來標(biāo)定設(shè)備的光電偏差。首先，獲取空間軌道預(yù)報(bào)信息；然后，預(yù)報(bào)并選擇低軌道合作目標(biāo)在本地可見的適當(dāng)弧段；其次，利用無線電設(shè)備主天線跟蹤合作目標(biāo)信號(hào)；最后，根據(jù)標(biāo)校電視錄取目標(biāo)在標(biāo)校電視中的光脫靶量數(shù)據(jù)，計(jì)算光電偏差。同標(biāo)定球法一樣，計(jì)算光電偏差需要考慮視差修正。

標(biāo)定球法與空間目標(biāo)法跟蹤目標(biāo)均為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，雷達(dá)在動(dòng)態(tài)跟蹤過程中存在滯后[4]現(xiàn)象，為提高計(jì)算參數(shù)精度，計(jì)算時(shí)考慮了進(jìn)行動(dòng)態(tài)滯后修正[5]。

其中，對塔標(biāo)定法需要選擇合適地點(diǎn)建設(shè)標(biāo)校塔來設(shè)立滿足標(biāo)校條件的靶標(biāo)，受地理位置約束，在遠(yuǎn)洋中難以實(shí)行；同時(shí)由于塔的高度有限，其測量的標(biāo)定結(jié)果不可避免地會(huì)引入多路徑效應(yīng)引起的誤差。標(biāo)定球法與空間目標(biāo)法，二者測量目標(biāo)不同，一種是信標(biāo)球，一種是低軌空間目標(biāo)。雖然后續(xù)計(jì)算參數(shù)方法基本一致，但由于后者跟蹤測量時(shí)角隨機(jī)誤差相對較小，上述方法計(jì)算得出的光電偏差標(biāo)定值并不相同。即使同一方法，不同時(shí)間測得的標(biāo)定值也并不相同。因此，給設(shè)備參數(shù)的選擇帶來難度。本文提出的基于理論反演的船載設(shè)備光電偏差評估方法解決了這一問題。

2船載測量設(shè)備光電偏差評估方法

2.1評估方法思路

以上三種方法都是根據(jù)設(shè)備跟蹤測量狀態(tài)和錄取的設(shè)備光脫靶量數(shù)據(jù)直接計(jì)算設(shè)備光電偏差的方法，而基于理論反演的船載設(shè)備光電偏差評估方法中包含的光電偏差計(jì)算方法，為光電參數(shù)間接估計(jì)方法。利用已知信息(包括先驗(yàn)信息和測量信息)間接估計(jì)設(shè)備光電特性參數(shù)的方法，并利用該方法對直接測量計(jì)算方法得到的光電偏差參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與評估。即利用合作目標(biāo)精軌數(shù)據(jù)和設(shè)備測量狀況信息，根據(jù)基于理論反演的設(shè)備光電偏差的計(jì)算方法估計(jì)出理論值，然后將多種方法得到的多組光電偏差與理論數(shù)值比較，并進(jìn)行優(yōu)選。

具體評估思路如下：

(1)利用精軌信息獲取理論數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有海上外測數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

(2)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，解算參數(shù)變化量；

(3)根據(jù)參數(shù)變化量對現(xiàn)有參數(shù)進(jìn)行修正。

具體評估流程如圖1所示。

圖1　評估方法流程圖

2.2反演的理論測元數(shù)據(jù)計(jì)算方法

2.2.1精確地心數(shù)據(jù)計(jì)算

2.2.2理論站點(diǎn)地平系的測元數(shù)據(jù)計(jì)算

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

近似有

(7)

2.2.3測量系理論測元計(jì)算

不同于陸基測站，計(jì)算設(shè)備測量坐標(biāo)系的理論測元時(shí)，除了計(jì)算出理論站平坐標(biāo)系的測元數(shù)據(jù)、并進(jìn)行電波折射逆修正外，還需進(jìn)行船姿、變形數(shù)據(jù)逆修正，從而計(jì)算出船載設(shè)備測量坐標(biāo)系的理論測元。

(8)

2.3光電參數(shù)計(jì)算誤差方程

AX=L

(9)

2.4多屬性優(yōu)選方法

通過理論值與測量參數(shù)的比較，求最優(yōu)值。參考多屬性匹配決策方法[7]，令最優(yōu)值(x,y)=minG(xi,yi)。其中，(xi,yi)為參數(shù)序列，分別代表設(shè)備在水平方向和垂直方向的光電偏差，G(xi,yi)為評估函數(shù)，有

(10)

式中：(xl，yl)為理論值。

3實(shí)測數(shù)據(jù)處理與分析

為準(zhǔn)確掌握設(shè)備的光電特性，需要對設(shè)備的光電參數(shù)進(jìn)行經(jīng)常性地檢查和復(fù)核。由于不同設(shè)備的光電特性不同，不同頻點(diǎn)同一設(shè)備的光電特性也不相同。針對此情況，以某一設(shè)備某一頻點(diǎn)為例，列出其各次檢查時(shí)的光電參數(shù)狀況，具體數(shù)據(jù)如表1。由表1可以看出，對塔標(biāo)定法、跟蹤信標(biāo)球及空間目標(biāo)法三種標(biāo)定方法得到的光電偏差數(shù)值差異很大。F1點(diǎn)頻的光電偏差數(shù)值中，對塔與理論反演算法更接近；F2點(diǎn)頻的光電偏差數(shù)據(jù)中，對塔2數(shù)值與理論反演算法更接近。

表1　不同情況某A1設(shè)備某F頻點(diǎn)光電偏差數(shù)值

根據(jù)2.4節(jié)優(yōu)選算法，以理論反演算法得到的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算各方法對應(yīng)的G值。由表1，F(xiàn)1點(diǎn)頻中標(biāo)號(hào)為①的G值最小，為12.0″；F2點(diǎn)頻中標(biāo)號(hào)為⑥的G值最小，為32.4″。因此，分別選定①、⑥作為兩次跟蹤不同目標(biāo)時(shí)實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)軸系修正參數(shù)。

在?；鶖?shù)據(jù)精度鑒定中，通常采用高精度的數(shù)據(jù)作為精度標(biāo)準(zhǔn)，通過作差比較來分析本次海基測量的精度狀況，以殘差均值和殘差均方差作為參考量。因此，為驗(yàn)證所選參數(shù)的數(shù)據(jù)處理效果，采用上述幾組參數(shù)進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理(除光電偏差參數(shù)不同，其他數(shù)據(jù)處理過程相同)，然后分別與精軌數(shù)據(jù)(中心提供的航天器精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成A、E數(shù)據(jù))比較，詳見表2。表2中計(jì)算結(jié)果為采用不同光電偏差參數(shù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與精軌數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到的角度殘差(事后數(shù)據(jù)-精軌數(shù)據(jù))，單位為角秒。

表2　A1設(shè)備不同光電偏差計(jì)算結(jié)果與精軌結(jié)果的差異

由表2，幾組殘差均方差結(jié)果一致性好，主要差異在殘差均值。F1點(diǎn)頻中，采用標(biāo)號(hào)①參數(shù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果方位殘差均值為-2.2″，俯仰殘差均值為14.8″，優(yōu)于其他兩組；F2點(diǎn)頻中，采用標(biāo)號(hào)⑥參數(shù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果方位殘差均值為39.4″，俯仰殘差均值為8.6″，優(yōu)于其他三組。可見，采用本評估方法計(jì)算優(yōu)選出的兩組參數(shù)(①、⑥光電偏差)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果與精軌數(shù)據(jù)差異最小，精度最高。

①、⑥均為對塔標(biāo)校方法，相對由于標(biāo)定球法和空間目標(biāo)跟蹤法，測量目標(biāo)特性不同，前者為靜態(tài)信號(hào)源，后兩者跟蹤的目標(biāo)分別為不斷飄升的標(biāo)定球和快速運(yùn)動(dòng)的地球衛(wèi)星(即動(dòng)態(tài)目標(biāo))。此外，測量條件不同，對塔標(biāo)校方法通常情況是在船舶停靠碼頭系泊狀態(tài)進(jìn)行的，后兩種方法通常在船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。因此，對塔標(biāo)校方法可以稱為準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定方法，后兩者可稱為動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法。說明標(biāo)定球法和空間目標(biāo)跟蹤法跟蹤測量的過程更復(fù)雜，混入了其他誤差源，需要進(jìn)一步改進(jìn)。理論反演算法雖然可能會(huì)將部分軸系誤差殘余帶入到所求參數(shù)中，不能完全真實(shí)反映設(shè)備的形態(tài)，但在軸系參數(shù)確定的情況下，所選參數(shù)與該軸系參數(shù)是最匹配的，因?yàn)槠渚C合計(jì)算測量結(jié)果將與空間目標(biāo)實(shí)際狀態(tài)最接近。因此，該方法仍能有效提高設(shè)備綜合測量精度。另外，⑤、⑥均為F2點(diǎn)頻對塔標(biāo)校方法，不同時(shí)間測量計(jì)算值不同，說明測量時(shí)的環(huán)境因素、人員因素對對塔標(biāo)校方法結(jié)果也有影響。

4結(jié)束語

基于理論反演的光電參數(shù)動(dòng)態(tài)評估方法，在面對多組光電參數(shù)差異較大時(shí)，能夠有效解決?；鶆?dòng)態(tài)測量時(shí)難以選擇的難題。但由于已知的合作目標(biāo)有限，本方法只能對某些設(shè)備的某些頻點(diǎn)進(jìn)行理論估算。由表1也看到，同一頻點(diǎn)同一設(shè)備不同方法得到的光電偏差數(shù)值差異較大，關(guān)于幾種方法的差異還需要進(jìn)行深入的研究和分析。

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何晶女，1975年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理與精度分析。

A Dynamic Evaluation Method on Photoelectricity Deviation of Shipborne Measuring Equipments

HE Jing，HUANG Qiong，XU Xianchun，CHEN Hongying

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431, China)

Abstract：Based on current photoelectricity deviation calibration methods, a new method on shipborne measuring equipments photoelectricity deviation calculation and dynamic valuation is put forward, aiming at solving the problem that is difficult to choose the optimum value among the inconsistent results of current various photoelectricity deviation calibration methods in the maritime complex dynamic environment. Taking the advantage of the precise character of theoretical elements ratiocinated from the information of precision orbits and combining the data from the shipborne measuring equipments, equations are set up to compute the photoelectricity deviation, which are just used as authentic true value to carry out multiattribute selection from those current various methods. The results show that this method can overcome the problem to make choice of the reasonable one from those inconsitently direct calibration parameters.

Key words：photoelectricity deviation; shipborne measuring equipments; multiattribute selection; dynamic evaluation

中圖分類號(hào)：TN953

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)02-0011-04

收稿日期：2015-11-20

修訂日期：2016-01-05

通信作者：何晶Email：icejialinhe@sina.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.003