基于GPS技術的艦載探測系統(tǒng)標校方法研究

杜 娟 朱華邦

(92941部隊 遼寧葫蘆島 125001)

1 引言

目標探測系統(tǒng)精度是導彈武器系統(tǒng)的一項重要指標，對武器系統(tǒng)的命中概率有著重要影響。各種探測系統(tǒng)在裝艦時都進行過統(tǒng)一標校，但是隨著服役時間的增加，探測系統(tǒng)的誤差會發(fā)生漂移，這將影響探測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，因此，武器系統(tǒng)在實際使用和執(zhí)行重要任務前必須對其探測系統(tǒng)進行標校。

隨著武器裝備的發(fā)展，探測系統(tǒng)不斷創(chuàng)新，與之相應的標校工作也不斷發(fā)展進步。普遍使用的方法有標校塔標校、有源標校器、光學標校以及海上衛(wèi)星標校等方法，但操作方便且精度高的方法不多。利用標校塔標校，受到標校塔少、標校距離短等時間和空間的限制[1]。運用有源標校器，雖然已經做到了多波段、頻率可調的一體化標校，但是標校過程中受到地物和海雜波等背景的影響大，嚴重影響標校精度[1～3]。光學標校一般只能進行高精度的方位標校，且需要一定的專業(yè)技能。星體標校受衛(wèi)星時間和距離的影響很大，同時艦姿態(tài)誤差也嚴重影響測星標定的結果[4]。

基于上述原因，有必要研究設計新的標校方法以彌補不足。GPS在全球范圍內為用戶提供全天候、連續(xù)精確的位置、速度和時間信息，利用其高精度定位技術進行標校，精度高、操作簡單、實時性強、可同時標校多個探測系統(tǒng)、操作人員不受微波輻射，在很大程度上彌補了其它標校方法的不足。

2 標校原理

以GPS高精度定位技術為基礎，將載艦系泊于碼頭，在探測系統(tǒng)和標校目標處分別安裝一套GPS設備，用于測定探測系統(tǒng)與標校目標所在位置的大地坐標，將標校目標的大地坐標轉換至探測系統(tǒng)坐標系下，以此作為目標在探測系統(tǒng)坐標系下的位置真值，與探測系統(tǒng)測得的標校目標位置數(shù)據(jù)進行比對分析，得出標校誤差。

若對同一載艦上的多個探測系統(tǒng)或多艘艦上的探測系統(tǒng)同時(對同一目標)進行標校，只需在每個探測系統(tǒng)處安裝一套GPS設備，根據(jù)各個探測系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)分別進行誤差分析即可。標校原理如圖1所示。利用GPS設備進行標校可節(jié)約大量時間、兵力，減少人員輻射。

圖1 基于GPS技術的艦載探測系統(tǒng)標校原理圖

3 真值獲取

3.1 同步測量

武器系統(tǒng)的時間信息由艦上時統(tǒng)給出，時統(tǒng)時間是由艦上GPS時間經校頻后獲得，所以利用GPS設備進行標校能夠完成標校設備與被試系統(tǒng)的同步測量。

3.2 目標位置真值計算

由于GPS的坐標系統(tǒng)采用的是WGS-84大地坐標，使用時必須將標校目標的GPS坐標值轉換到以探測系統(tǒng)為原點的站心坐標[5]。下面簡要介紹一下坐標轉換的方法。

首先要將GPS測得的大地坐標轉換為空間大地直角坐標;再將空間大地直角坐標轉換為站心直角坐標;最后再將站心直角坐標轉換為站心球坐標。

大地坐標(B，L，h)轉換為空間大地直角坐標(X，Y，Z)如下

空間大地直角坐標(X，Y，Z)轉換為站心直角坐標(x，y，z)如下

式中:[Xo，Yo，Zo]為站心點的空間大地直角坐標;Bo、Lo為站心點的大地坐標的緯度和經度。

站心直角坐標(x，y，z)轉換為站心球坐標(D，β，ε)

式中:(D，β，ε)為標校目標相對被標探測系統(tǒng)的斜距、方位角和俯仰角。

4 標校中幾個關鍵問題分析

4.1 GPS設備工作方式及精度

對運動目標進行導航定位時，GPS設備采用動態(tài)工作方式，對靜止目標進行定位時，GPS設備可采用靜態(tài)工作方式，其測量精度更高。標校時載艦系泊于碼頭，處于準靜止狀態(tài)，此時GPS設備可采用靜態(tài)工作方式以提高標校精度。

按有關標準歸定，標準測量設備的測量精度應優(yōu)于被標定設備允許誤差的三分之一。如某艦載雷達方位精度0.3°、距離精度60m，則標校設備方位精度應優(yōu)于0.1°、距離精度應優(yōu)于20m。近年來由于差分GPS定位精度已經提高到厘米級，通過坐標轉換即可獲得滿足精度的目標真值，所以GPS設備可以作為標準測量設備對探測系統(tǒng)進行標定。

4.2 標校目標的選擇

以往艦載探測系統(tǒng)標校多以海上固定燈樁為標校目標，因燈樁海拔高度較低，很難進行俯仰角標校，所以標校工作多以距離標校、方位角標校為主。利用GPS設備進行標校，電視、紅外等可視探測系統(tǒng)可選擇視距內任意距離、方位、俯仰的固定標的物作為標校目標，通過安裝在標校目標處的GPS設備即可測定標校目標位置。對于雷達、照射器等微波探測系統(tǒng)，可采用氣球或海拔較高的標的物作為標校目標。采用氣球作為標校目標時，通過控制氣球高度即可進行俯仰角標校。

4.3 誤差分析

GPS定位誤差、真值解算誤差和雷達觀測數(shù)據(jù)誤差是直接影響標校精度的三個主要誤差源。GPS的定位誤差主要有與GPS衛(wèi)星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差和與接收設備有關的誤差，通過利用同步觀測值求差可以消除全部的衛(wèi)星星歷誤差，消除絕大部分信號傳播誤差和小部分接收設備誤差[6]。真值解算時除幫助消除大部分GPS誤差外，其本身的解算精度相當高，距離和方位誤差分別在10－4和10－5數(shù)量級。雷達測量數(shù)據(jù)通過掃描誤差校正和目標航跡平滑濾波，消除大部分測量噪聲的影響，只有雷達目標中心位置的偏差難以避免，若在理想點目標標校時，以上誤差可以忽略。雷達誤差可控制在較小范圍[7]。

4.4 微波探測系統(tǒng)對GPS接收信號的影響

微波探測系統(tǒng)對近距離的GPS設備接收信號是否有影響，在艦載探測系統(tǒng)標校時，為了更精確地測量探測系統(tǒng)位置，要將GPS設備安裝在距探測系統(tǒng)較近的位置。

GPS衛(wèi)星采用碼分多址(CDMA)技術在兩個頻率上廣播測距碼和導航數(shù)據(jù)，也就是說，系統(tǒng)只使用兩個頻率，稱為L1和L2。GPS L1位于指定僅用于其他衛(wèi)星導航信號的頻段之內。GPS L2位于1215～1240MHz波段，在世界范圍內有各不相同的無線電定位頻率分配，工作于此波段的無線電定位服務包括大量用于空中交通管制、軍事偵察和禁毒的雷達，盡管其中有些雷達工作時發(fā)射功率很高(千瓦到兆瓦)，但它們都屬于脈沖系統(tǒng)，而GPS接收機在脈沖干擾下是很穩(wěn)健的[8]。因此，微波探測系統(tǒng)不會對GPS設備接收信號造成影響。

5 誤差計算

對艦載探測系統(tǒng)進行標校時，測量探測系統(tǒng)位置的GPS設備雖然架設在距離探測系統(tǒng)較近的位置，但仍會引入部分系統(tǒng)誤差。通常探測系統(tǒng)與標校目標之間的距離 d0約為10000m，探測系統(tǒng)與GPS設備之間的距離r約為5m，下面將以此為例進行詳細的誤差分析。

5.1 距離誤差分析

探測系統(tǒng)、標校目標、GPS設備形成的位置關系如圖2所示，A點(探測系統(tǒng))與B點(GPS設備)之間的距離為r，A點(探測系統(tǒng))與C點(標校目標)之間的距離為d0，B點(GPS設備)與C點(標校目標)之間的距離為di，AC與AB的夾角為α。

根據(jù)余弦定理，可得

將d0=10000m、r=5m代入式(4)，可得di隨α變化的情況，如圖3所示。

圖3 di與α的函數(shù)關系

由圖3可知，當α等于0°時，即標校目標、探測系統(tǒng)、GPS設備在一條直線上且GPS設備位于標校目標與探測系統(tǒng)之間，此時di值最小，等于9995m;當α等于180°時，即標校目標、探測系統(tǒng)、GPS設備在一條直線上且GPS設備在標校目標與探測系統(tǒng)連線的延長線上，此時di值最大，等于10005m。這是兩種極限位置，其余值均在9995～10005m之間。由此可知，因GPS設備架設位置引入的最大距離誤差為5m，小于探測系統(tǒng)允許誤差的三分之一(現(xiàn)有探測系統(tǒng)允許誤差均大于15m)，對距離標校的影響很小，可忽略不計。

5.2 方位誤差分析

探測系統(tǒng)、標校目標、GPS設備的方位關系如圖4所示，探測系統(tǒng)測得的目標方位為(∠1+∠α)，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)計算出的目標方位為(∠2+∠3)，根據(jù)平行線定理可知∠1=∠2，所以引入方位誤差為:

根據(jù)三角形定理，可知

將式(6)代入式(5)，得

即方位誤差等于AC與BC的夾角c。

圖4 探測系統(tǒng)、標校目標、GPS設備的方位關系

根據(jù)正弦定理，得

將式(4)代入式(8)，可得

將d0=10000m、r=5m代入式(9)，可得方位誤差c隨α變化的情況，如圖5所示。

圖5 方位誤差與∠α的函數(shù)關系

由圖5可以看出，當 α 等于0°、180°或360°時，即標校目標、探測系統(tǒng)、GPS設備在一條直線上時，方位誤差為0°;當α等于90°或270°時，方位誤差最大，約等于0.03°，小于探測系統(tǒng)允許誤差的三分之一(現(xiàn)有探測系統(tǒng)允許誤差均大于0.1°)，對方位標校的影響很小，可忽略不計。

5.3 俯仰誤差分析

對艦載探測系統(tǒng)進行標校時，應盡量將GPS設備架設在探測系統(tǒng)回轉中心所在的水平面上，以盡可能減小俯仰誤差。

6 結束語

GPS設備在導航定位領域已應用多年，技術成熟、精度高、操作簡便，現(xiàn)已成為全球重要的定位設備之一。利用GPS高精度定位技術進行艦載探測系統(tǒng)標校，是對GPS技術的深度開發(fā)，同時也提高了標校質量、效率，是適應武器系統(tǒng)不斷發(fā)展的客觀需求。

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