向 頡,茅永興,李紅艷,袁小江

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

分布式測量體制下的船姿數(shù)據(jù)重構(gòu)*

向 頡*,茅永興,李紅艷,袁小江

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

新一代航天測量船采用的分布式船姿船位測量體制提高了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，同時也給數(shù)據(jù)處理與使用提出了更多的需求，比如姿態(tài)數(shù)據(jù)一致性檢驗、姿態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合使用等。為此，提出了一種新的船姿數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。首先，對集中式與分布式測量機制進行了對比，分析了采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法解決新需求會產(chǎn)生困難的原因，并指出姿態(tài)重構(gòu)數(shù)據(jù)的取得將成為解決這些問題的關(guān)鍵；然后，分兩個過程對分布式船體姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的重構(gòu)方法進行了推演，并說明了如何使用重構(gòu)數(shù)據(jù)去解決新需求；最后，在重構(gòu)數(shù)據(jù)本身精度和重構(gòu)數(shù)據(jù)對飛行器目標定位精度影響兩個方面對該重構(gòu)方法進行了檢驗，結(jié)果表明使用該方法得到姿態(tài)數(shù)據(jù)滿足任務(wù)精度指標要求。

航天測量船；姿態(tài)測量；分布式測量；姿態(tài)矩陣；數(shù)據(jù)重構(gòu)

1 引 言

航天測量船的姿態(tài)測量精度是影響精度的重要因素[1]。傳統(tǒng)測量船的姿態(tài)測量系統(tǒng)基于平臺慣導(dǎo)和集中式測量體制[2]。集中式測量體制中，目標測量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過變形的補償計算，在可靠性和精度方面都有待改進[3-5]。為此，相關(guān)研究人員在改進測量方法和測量體制方面做了大量的嘗試[6-9]?？紤]實際應(yīng)用效果，新測量船使用基于捷聯(lián)慣導(dǎo)并保留船體變形測量的分布式設(shè)計。

船姿測量設(shè)備分布式設(shè)計在精度與可靠性方面有著集中式測量體制無可比擬的優(yōu)勢，但也對船姿、變形數(shù)據(jù)處理使用提出了更多的需求。本文將從分布式姿態(tài)測量體制著手，分析使用傳統(tǒng)處理方法解決新問題所面臨的困境，然后建立一種基于分布式船姿測量體制的數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，重新構(gòu)建各測量點的姿態(tài)數(shù)據(jù)，為解決新問題做好技術(shù)儲備。

2 分布式船體姿態(tài)測量

2.1 測量原理

為更清楚地了解分布式姿態(tài)測量體制的特點，首先介紹傳統(tǒng)的集中式測量體制。圖1為集中式測量體制下的設(shè)備分布圖。

圖1 集中式測量設(shè)備分布圖

如圖1所示，慣導(dǎo)1、慣導(dǎo)2互為備份，同時對船體同一點的姿態(tài)進行測量。雷達分別布于平臺慣導(dǎo)前后兩端，雷達與慣導(dǎo)之間的變形量使用光學(xué)變形設(shè)備測量得出。慣導(dǎo)和雷達的中心點上分別部署了固聯(lián)的坐標系，飛行器的測量數(shù)據(jù)通過補償變形量和姿態(tài)量后由各測量坐標系轉(zhuǎn)換至慣導(dǎo)地平坐標系[3]。這種集中式的數(shù)據(jù)處理方法本質(zhì)上是在各坐標系中對目標測量數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)和平移。

圖2展示了分布式測量設(shè)備的分布情況，與集中式主要的區(qū)別為每個測量雷達基座下方安裝捷聯(lián)慣導(dǎo)，能夠獨立測量雷達所處位置的姿態(tài)。該設(shè)計減少了處理變形數(shù)據(jù)的中間環(huán)節(jié)，提高了可靠性。當(dāng)船載測量設(shè)備基座處的船姿數(shù)據(jù)正常時，飛行器的測量數(shù)據(jù)可直接轉(zhuǎn)換至慣導(dǎo)地平坐標系下，其坐標中心在測量設(shè)備基座的慣導(dǎo)處；當(dāng)船姿數(shù)據(jù)異常時，可使用另一慣導(dǎo)處的船姿量信息經(jīng)變形修正后(即姿態(tài)矩陣傳遞)，轉(zhuǎn)換至新的慣導(dǎo)地平坐標系下。不難發(fā)現(xiàn)在新測量體制下，船體姿態(tài)數(shù)據(jù)不再只有一組數(shù)值，而是許多組不同點位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這些船姿數(shù)據(jù)是否發(fā)生漂移、一致性如何檢驗、數(shù)據(jù)如何聯(lián)合使用等一系列新的需求都被陸續(xù)提出。

圖2 分布式測量設(shè)備分布圖

2.2 新需求的處理

無論對于數(shù)據(jù)一致性檢驗還是數(shù)據(jù)聯(lián)合使用，采用傳統(tǒng)處理方法都不能給出有效的解決方案。分析集中式姿態(tài)數(shù)據(jù)處理方法不難發(fā)現(xiàn)，該方法只能將目標測量數(shù)據(jù)從一個坐標系轉(zhuǎn)換至另一個坐標系，坐標轉(zhuǎn)換后坐標系中心也會隨之改變。因此，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并非等效數(shù)據(jù)，不能直接用作數(shù)據(jù)的檢驗和融合。

若能得到同一點的姿態(tài)量重構(gòu)數(shù)據(jù)，那么問題就會變得簡單。將同一點的重構(gòu)值對應(yīng)至提供數(shù)據(jù)的慣導(dǎo)設(shè)備上，會得到大量的等效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)檢驗問題和融合計算問題實質(zhì)上就轉(zhuǎn)化為多傳感器冗余測量數(shù)據(jù)的檢驗和融合問題。因此，在分布式船姿船位測量體制下有必要建立一種船姿數(shù)據(jù)的重構(gòu)方法。

3 分布式船體姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的重構(gòu)

3.1 問題概述

對于圖2所示分布式測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)重構(gòu)問題，將其表述為更具一般性的問題：已知點A的姿態(tài)測量值為(ψA,θA,KA),點A的船搖旋轉(zhuǎn)矩陣為B(cA)，點A、B間變形已知，其等效旋轉(zhuǎn)矩陣為B(b)，需要使用已知量重構(gòu)點B的船搖數(shù)據(jù)(ψB,θB,KB) 。

3.2 解決方法

上述姿態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)問題可分為兩個子過程解決：過程1，求點B的重構(gòu)姿態(tài)矩陣B(cB)；過程2，求點B的重構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)(ψB,θB,KB) 。

3.2.1 求解點B的重構(gòu)姿態(tài)矩陣B(cB)

修正A點姿態(tài)誤差的歐拉角旋轉(zhuǎn)矩陣為

(1)

B(cB)=B(cA)B-1(b)=B(cA)BT(b)。

(2)

式(2)為使用點A姿態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)出的點B姿態(tài)矩陣B(cB)。

3.2.2 重構(gòu)點B的姿態(tài)數(shù)據(jù)(ψB,θB,KB)

假設(shè)通過上述步驟已經(jīng)求出B(cB)各元素具體數(shù)值，并且將式(2)右端展開:

(3)

參考式(3)兩端，取其部分元素可將點B的重構(gòu)姿態(tài)值解出，直接給出重構(gòu)值的表達式：

ψB=arcsinB21，

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)即使用點A姿態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)得到的點B姿態(tài)數(shù)據(jù)(ψB,θB,KB)。

至此，對于任意兩點，只需已知其中一點的姿態(tài)值和兩點間的變形值，通過以上步驟就可以完成使用一點姿態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)另一點姿態(tài)數(shù)據(jù)的過程。

采用該方法得到大量冗余姿態(tài)數(shù)據(jù)，便可用于數(shù)據(jù)檢驗和融合計算問題。對于姿態(tài)數(shù)據(jù)一致性檢驗，可以將所有慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)至某一點上，根據(jù)測量數(shù)據(jù)和重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差方差制定出檢測閾值，使用置信度矩陣的方法完成各姿態(tài)量的一致性校驗[10]。使用冗余姿態(tài)重構(gòu)值也可以完成姿態(tài)數(shù)據(jù)的融合計算，在工程實踐中基于最大似然估計的船姿數(shù)據(jù)融合法也取得了較好的結(jié)果[11]。

4 試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

本節(jié)分別從重構(gòu)數(shù)據(jù)本身的精度和重構(gòu)數(shù)據(jù)對飛行器目標測量精度的影響兩個方面對分布式船體姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的重構(gòu)方法進行檢驗。

4.1 船姿重構(gòu)數(shù)據(jù)本身精度

在船姿重構(gòu)數(shù)據(jù)本身精度檢驗方面，由于缺乏更高精度的檢驗標準，本文通過求取相同點位姿態(tài)實測值與重構(gòu)值的殘差進行，并分析統(tǒng)計結(jié)果。具體數(shù)據(jù)選用航天測量船海上綜合校飛試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3和表1所示。

(a)平臺慣導(dǎo)姿態(tài)測量值

(b)平臺慣導(dǎo)姿態(tài)重構(gòu)值殘差

(c)捷聯(lián)慣導(dǎo)1姿態(tài)重構(gòu)值殘差

(d)捷聯(lián)慣導(dǎo)2姿態(tài)重構(gòu)值殘差

架次UCBSINS-PINSΔKΔψΔθSINS1-SINS4ΔKΔψΔθSINS2-SINS4ΔKΔψΔθ112.932.74-0.72-2.571.562.67-2.770.422.39215.50.061.17-2.842.212.55-3.342.092.71314.743.920.17-2.842.032.99-2.342.152.6748.060.03-4.12-2.171.413.44-0.680.932.8557.141.92-2.47-2.852.392.08-2.782.542.0566.781.27-2.15-2.982.463.03-2.942.482.58均值10.861.66-1.35-2.712.012.79-2.481.772.54

從圖3(b)～(d)中可以看出，重構(gòu)姿態(tài)值與平臺慣導(dǎo)實測值的殘差要明顯大于捷聯(lián)慣導(dǎo)之間重構(gòu)產(chǎn)生的殘差。特別在艏搖方向上，圖3(b)中艏搖殘差均值達到12″，因為捷聯(lián)慣導(dǎo)與平臺慣導(dǎo)姿態(tài)測量精度存在差異，且隨著時間的推移，艏搖方向的系統(tǒng)差會增加。在架次4至架次6中，平臺慣導(dǎo)提前校準了艏向值，殘差不超過10″。由于捷聯(lián)慣導(dǎo)測量精度比平臺慣導(dǎo)高，圖3(c)、(d)中的殘差變化范圍明顯比圖3(a)小，且殘差曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)隨機性。而圖3(b)中的艏搖殘差隨著平臺慣導(dǎo)艏搖測量值(見圖3(a))的起伏，具有相同的趨勢性。從表1可以看出，在姿態(tài)量3方向上，捷聯(lián)慣導(dǎo)2重構(gòu)殘差均值比捷聯(lián)慣導(dǎo)1殘差均值略小，但比平臺慣導(dǎo)殘差略大(艏搖除外)。在數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中，平臺慣導(dǎo)使用1段變形數(shù)據(jù)，捷聯(lián)慣導(dǎo)1使用3段變形數(shù)據(jù)，捷聯(lián)慣導(dǎo)2使用2段變形數(shù)據(jù)，這與殘差特性具有較強的關(guān)聯(lián)性。

圖3和表1顯示了使用姿態(tài)量重構(gòu)方法得到的姿態(tài)值與實測值的殘差在20″內(nèi)，每架次結(jié)果均值不超過5″(平臺慣導(dǎo)艏搖除外)。試驗結(jié)果并未顯示重構(gòu)值有明顯跳變和與實測值偏差較大的情況。

4.2 重構(gòu)數(shù)據(jù)對飛行器目標測量精度的影響

在重構(gòu)數(shù)據(jù)對飛行器目標測量精度影響方面，考慮了捷聯(lián)慣導(dǎo)的測量誤差和變形測量誤差，在某次任務(wù)的理論測量數(shù)據(jù)上進行誤差傳播的理論計算，比對了實際姿態(tài)量誤差和姿態(tài)量重構(gòu)值誤差對測量目標地平系精度的影響，具體值見表2。

表2 姿態(tài)量對測量目標地平系影響

表2中數(shù)據(jù)顯示，姿態(tài)量誤差對地平系的測量數(shù)據(jù)影響最顯著在Z軸方向，最大至9.8 m。使用重構(gòu)值計算后的誤差影響量級與使用測量值誤差影響量級相當(dāng)。

綜上所述，經(jīng)姿態(tài)重構(gòu)方法計算得到的數(shù)據(jù)無論是數(shù)據(jù)本身還是對地平系的測量結(jié)果影響，精度均能滿足任務(wù)要求。

5 結(jié)束語

新一代航天測量船引入了分布式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，同時保留了變形系統(tǒng)，形成了獨特的分布式船姿船位測量體制,給航天測量船帶來了諸多優(yōu)勢，但也對數(shù)據(jù)使用方式提出了新的需求。為此，本文從測量船船姿測量體制入手，分析了傳統(tǒng)處理方法面臨的困境，并分析了船姿數(shù)據(jù)重構(gòu)解決問題的可能性，對船姿數(shù)據(jù)重構(gòu)方法進行了推演，對重構(gòu)數(shù)據(jù)的使用進行了說明，最后采用了測量船海上綜合校飛數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)對方法進行了驗證。統(tǒng)計結(jié)果表明，該方法計算結(jié)果正確，曲線平穩(wěn)，精度滿足任務(wù)指標要求。

后續(xù)還有兩項重要的工作待進一步開展：一是需要對重構(gòu)的船姿數(shù)據(jù)進行誤差分析，基于該分析分離出船姿部分誤差項；二是根據(jù)各設(shè)備測量精度、重構(gòu)數(shù)據(jù)的精度以及雷達所處的不同位置制定出該雷達最優(yōu)的船姿使用策略。

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李紅艷(1975—) ，女，云南楚雄人，高級工程師，主要研究方向為航天測控總體;

袁小江(1978—),男，陜西勉縣人，工程師，主要研究方向為航天數(shù)據(jù)處理與精度分析。

Reconstruction of Ship Attitude Data in Distributed Measurement System

XIANG Jie,MAO Yongxing,LI Hongyan,YUAN Xiaojiang

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

The application of distributed ship attitude and position measurement system in the new space tracking ship makes data more reliable and accurate,but requires more for the data processing and application,such as attitude data consistency checking,attitude data combined utilization. To solve above problems,a reconstruction method of ship attitude data is proposed.Firstly,the distributed measurement system is compared with the centralized measurement system. The reason that it′s difficult to meet new demands with traditional data processing method is analyzed. The analysis shows that reconstructing attitude data is the key to these problems. Secondly,the ship attitude data reconstruction method is derived by two processes,and how to use the reconstructed data is explained.Finally,the data reconstruction method is tested from the accuracy of the reconstructed attitude data itself and the impact on the accuracy of target positioning. Results show that the attitude data obtained by the data reconstruction method meets the accuracy requirements in the mission.

space TT&C ship；attitude measurement;distributed measurement;attitude matrix;data reconstruction

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.019

向頡,茅永興,李紅艷,等.分布式測量體制下的船姿數(shù)據(jù)重構(gòu)[J].電訊技術(shù)，2017,57(4):480-484.[XIANG Jie,MAO Yongxing,LI Hongyan,et al.Reconstruction of ship attitude data in distributed measurement system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):480-484.]

2016-07-25；

2016-12-23 Received date:2016-07-25；Revised date：2016-12-23

TN99；TP274

A

1001-893X(2017)04-0480-05

向 頡(1982—)，男，湖南龍山人，2014年于南京理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航天數(shù)據(jù)處理與精度分析；

Email:xiangjie100@163.com

茅永興(1966—)，男，江蘇海門人，碩士，研究員，主要研究方向為航天器測控技術(shù)及航天器軌道動力學(xué)；

Email:myx8282@tom.com

*通信作者：xiangjie100@163.com Corresponding author：xiangjie100@163.com