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        船載測量設(shè)備實時數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)修正方法*

        2019-09-27 01:36:40
        艦船電子工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:測量船慣導(dǎo)基座

        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。

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