童 艷

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

隨著測控任務(wù)向海上縱向延伸，海上測量船動基座測量成為測控系統(tǒng)不可或缺的一部分。海上測量船布設(shè)外測設(shè)備，承擔(dān)了目標(biāo)測控的部分外部跟蹤測量任務(wù)。測量船測得的外測數(shù)據(jù)與地面布站設(shè)備測得的外測數(shù)據(jù)的區(qū)別是測量設(shè)備所在承載平臺不固定，其測量精度通常會受到船體的擺動以及船體形變的影響。在初始未測得目標(biāo)和目標(biāo)丟失情況下，測量設(shè)備需要根據(jù)數(shù)字引導(dǎo)信息尋找目標(biāo)，而數(shù)字引導(dǎo)信息通常以地心系目標(biāo)絕對位置給出，在到達(dá)測量設(shè)備時要轉(zhuǎn)換為測量系數(shù)據(jù)引導(dǎo)跟蹤［1]。對于動基座測量設(shè)備而言，這個轉(zhuǎn)換過程必須要考慮船搖和形變的影響進(jìn)行必要的修正，才能提高測量設(shè)備的對準(zhǔn)精度。本文針對此問題提出了一種動基座測量對準(zhǔn)精度實時修正方法，力求消除動基座測量設(shè)備因船搖和形變對測量精度的影響。

2 數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)的生成

數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)由測控系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)處理軟件匯集各測量設(shè)備數(shù)據(jù)實時解算得到測控目標(biāo)的發(fā)射系坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地心系，并考慮通信時延得到外推結(jié)果，通過實時通信發(fā)送給各測量設(shè)備，從而引導(dǎo)測量設(shè)備捕獲目標(biāo)。測量設(shè)備通常分為外測和遙測［2]。外測精度高于遙測精度，因此引導(dǎo)數(shù)據(jù)使用外測方案的優(yōu)先級高于遙測方案。但如果外測方案和遙測方案都沒有形成，則只能采用當(dāng)前飛行時刻對應(yīng)的理論位置作為目標(biāo)引導(dǎo)信源［3]。為了提高理論引導(dǎo)跟蹤精度，傳統(tǒng)做法是用外測或遙測方案形成的最后一點數(shù)據(jù)和對應(yīng)理論位置的偏差值進(jìn)行修正，最后經(jīng)過外推得到引導(dǎo)數(shù)據(jù)［4]。不過，據(jù)統(tǒng)計在設(shè)備跟蹤目標(biāo)丟失前一點的測量值失真率較高，如果用這一點的跟蹤結(jié)果進(jìn)行修正，很可能達(dá)不到預(yù)期的效果，甚至有可能適得其反，起不到提高精度的目的。因此，本文提出采用積累偏差算法，將最后20點的偏差值積累，將這20個偏差值的統(tǒng)計期望值作為理論點修正值，理論引導(dǎo)數(shù)據(jù)算法見式（1）。從應(yīng)用效果看要優(yōu)于單點修正。

3 船載測量設(shè)備引導(dǎo)誤差修正方法

船載測量設(shè)備在得知目標(biāo)位置后，由于當(dāng)前姿態(tài)的不固定和船體固有形變的存在，不能直接將此位置用于引導(dǎo)設(shè)備跟蹤，為了消除船搖和形變引起的測量誤差，需要對目標(biāo)位置進(jìn)行修正，這個過程通常稱為船姿逆修正。動基座上的測控設(shè)備跟蹤目標(biāo)的方位基準(zhǔn)是船的艏艉線，俯仰基準(zhǔn)是甲板平面，站址基準(zhǔn)是浮動的慣導(dǎo)三軸中心。為方便海上測量參數(shù)的使用和描述，測量船定義了自己專用的慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系、慣導(dǎo)甲板坐標(biāo)系、測量坐標(biāo)系［5]。除了這些船用坐標(biāo)系，測量船在與測控中心交互時均采用通用坐標(biāo)系，例如，測控系統(tǒng)中通常把地心直角坐標(biāo)系作為測量分系統(tǒng)間的統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理坐標(biāo)系，使整個測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)有了統(tǒng)一的度量。

慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系的原點是慣導(dǎo)平臺三軸交點，其基準(zhǔn)面是慣導(dǎo)設(shè)備提供的當(dāng)?shù)厮交鶞?zhǔn)面。由于船在海面上行使過程中存在搖晃，甲板并不與水平面平行，因此有了慣導(dǎo)甲板坐標(biāo)系，它的原點也在慣導(dǎo)平臺三軸交點，但基準(zhǔn)面是甲板平面，當(dāng)船浮在水中有搖擺時通常甲板平面與地平面不重合，因此，慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系與慣導(dǎo)甲板坐標(biāo)系之間相差一個船搖。通常船載慣導(dǎo)設(shè)備能夠測得船體搖擺角，但這個測量值只是慣導(dǎo)基座的搖擺角，而測量設(shè)備在測量船上是沿船艏艉線分散布局的，其測量坐標(biāo)系的原點與慣導(dǎo)坐標(biāo)原點不一致，況且船體并不是一個剛體，所以測量設(shè)備基座與慣導(dǎo)基座之間存在船體變形量。

因此采用如下一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，對船姿和搖擺角進(jìn)行修正，使設(shè)備得到修正的測量坐標(biāo)系下的引導(dǎo)數(shù)據(jù)，以提高設(shè)備跟蹤目標(biāo)的對準(zhǔn)精度。除了準(zhǔn)確標(biāo)校測量設(shè)備［6]，提高數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是使設(shè)備準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)連續(xù)提供實時數(shù)據(jù)處理外測信息源的基礎(chǔ)［7]。

地心系引導(dǎo)數(shù)據(jù)-＞慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系-＞慣導(dǎo)甲板坐標(biāo)系（消除船搖）-＞測量坐標(biāo)系（消除形變）

3.1 慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系引導(dǎo)數(shù)據(jù)

設(shè)備需要與裝置位置無關(guān)的測量系坐標(biāo)作為指引跟蹤目標(biāo)的輸入信息，因此，需要將地心系引導(dǎo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為測量系數(shù)據(jù)。首先根據(jù)船載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時提供的測量船位置信息，將地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成慣導(dǎo)地平坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換見式（2）。

地心坐標(biāo)系直角坐標(biāo)到慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為

這里，L、B分別是測量船上地平坐標(biāo)原點的大地經(jīng)緯度，rOEP為目標(biāo)在地心坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)為慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系原點在地心坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)。

3.2 消除船搖影響

船搖參數(shù)通過船上慣導(dǎo)設(shè)備能夠?qū)崟r測得。組合慣導(dǎo)平臺測定動基座搖擺的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式計算出修正的動基座擾動所需的跟蹤參數(shù)。

慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系直角坐標(biāo)到慣導(dǎo)甲板坐標(biāo)系直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為

3.3 消除形變影響

在測量設(shè)備采用引導(dǎo)數(shù)據(jù)前，要考慮測量基座與慣導(dǎo)基座的船體變形量，加以修正才能提高引導(dǎo)精度［8]。基座之間的船體變形測量量以三個角度描述［9]，分別為艏搖變形角、縱搖變形角、橫搖變形角。消除形變的方法類似于消除船搖，只是三個轉(zhuǎn)動角由艦艇艏向角、艦艇縱搖角、艦艇橫搖角變?yōu)轸紦u變形角、縱搖變形角、橫搖變形角。轉(zhuǎn)換公式參見式（3），得到的位置坐標(biāo)是消除船搖和形變的測量系坐標(biāo)值。

4 仿真結(jié)果

下面通過模擬測量船在理論彈道引導(dǎo)下的測量過程，對動基座測量引導(dǎo)對準(zhǔn)精度實時修正算法的性能進(jìn)行檢驗分析。

4.1 仿真測試條件

首先模擬一條待跟蹤目標(biāo)的理論軌跡，同時模擬動基座測量船的運動軌跡和運動參數(shù)。然后，分別在不修正姿態(tài)和修正姿態(tài)的情況下解算測量數(shù)據(jù)，用動基座數(shù)據(jù)處理方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出測量數(shù)據(jù)解算出的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。將其與理論值進(jìn)行比較，計算相應(yīng)的誤差。

具體測試時，模擬了兩種船搖情況：

1）艦船的縱搖和橫搖角在（4.0°，19.0°）附近作余弦波動，振幅均為1°；

2）艦船的縱搖和橫搖角在（3.6°，17.0°）附近作余弦波動，振幅均為1°。

由上節(jié)內(nèi)容可知消除形變原理和消除船搖原理類似，所以仿真僅以船搖為例進(jìn)行驗證。

4.2 測試結(jié)果

圖1 姿態(tài)未修正時的空間位置位置誤差曲線（情形1）

圖2 姿態(tài)已修正時的空間位置誤差曲線（情形1）

在第一種測試條件下，分別對引導(dǎo)數(shù)據(jù)不做姿態(tài)修正和做姿態(tài)修正，得到的測試結(jié)果見圖1和圖2。統(tǒng)計姿態(tài)修正前后空間位置誤差結(jié)果見表1。

表1 姿態(tài)修正前后空間位置誤差統(tǒng)計結(jié)果（情形1）

在第二種測試條件下，分別對引導(dǎo)數(shù)據(jù)不做姿態(tài)修正和做姿態(tài)修正，得到的測試結(jié)果見圖3和圖4。統(tǒng)計姿態(tài)修正前后空間位置誤差結(jié)果見表2。

圖3 姿態(tài)未修正時的空間位置誤差曲線（情形2）

圖4 姿態(tài)已修正時的空間位置誤差曲線（情形2）

表2 姿態(tài)修正前后空間位置誤差統(tǒng)計結(jié)果（情形2）

4.3 結(jié)果分析

從以上測試結(jié)果不難看出，在當(dāng)前模擬測試條件下，相比姿態(tài)未修正時的動基座測量輸出結(jié)果的空間位置誤差，姿態(tài)修正后，可將由姿態(tài)導(dǎo)致的空間位置誤差減少90%以上。當(dāng)然，在實際應(yīng)用過程中，影響誤差的因素還有許多，對測量設(shè)備異常值的處理［10]、船體穩(wěn)定性的度量［11]、測量船航速的變化對外測設(shè)備測速數(shù)據(jù)的影響［12]等都是需要在數(shù)據(jù)解算中考慮的因素。

5 結(jié)語

本文首先通過提出積累點修正理論軌跡提高理論軌跡引導(dǎo)時的引導(dǎo)數(shù)據(jù)源精度，并在動基座測量設(shè)備上考慮測量船的船搖和形變，消除引導(dǎo)誤差，使動基座測量設(shè)備在實時引導(dǎo)狀態(tài)下的跟蹤目標(biāo)對準(zhǔn)精度大幅提高。最后通過仿真試驗表明本文提出的引導(dǎo)數(shù)據(jù)實時修正算法提高了引導(dǎo)條件下的測量設(shè)備對準(zhǔn)精度。