尤焜 孫興

摘要 為了能夠在動態(tài)條件下測量出艦船的航向真值，分離出導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，研究了利用GPS/電視經(jīng)緯儀組合導(dǎo)航的測量方法，介紹了測量原理，給出了在動態(tài)環(huán)境下對特定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤來反推艦船動態(tài)航向真值的算法，建立了航向真值解算模型，用于標(biāo)定出艦船航行過程中的航向誤差。

【關(guān)鍵詞】GPS 電視經(jīng)緯儀 導(dǎo)航

目前，用于艦船航向真值測量的方法有GPS測量法和手動光學(xué)測量法。GPS測量法的優(yōu)點是能夠在動態(tài)條件下進(jìn)行連續(xù)測量，從而得到完整的航向曲線，但該方法存在較大的高程誤差，同時GPS測量法的精度不僅取決于GPS系統(tǒng)定位精度，更取決于兩天線之間的連線長度，由于艦船的長度有限，因此連線長度受艦船尺寸限制而不能達(dá)到理想距離，影響了測量的總體精度。手動光學(xué)測量法的優(yōu)點是測量精度高，但缺點是僅能在艦船系泊狀態(tài)下進(jìn)行，受環(huán)境影響較大，不適合動態(tài)測量。

GPS/電視經(jīng)緯儀組合導(dǎo)航系統(tǒng)運用現(xiàn)代控制理論和最優(yōu)估計方法，綜合了GPS和手動光學(xué)測量法的優(yōu)點，可在動態(tài)條件下實時獲取高精度導(dǎo)航信息。

1 GPS/電視經(jīng)緯儀組合系統(tǒng)組成及測量原理

測量系統(tǒng)由以下幾部分組成：小型光學(xué)電視跟蹤經(jīng)緯儀，負(fù)責(zé)在動態(tài)條件下跟蹤測量已知方位標(biāo)，輸出方位角和俯仰角;GPS系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在動態(tài)條件下對載體進(jìn)行定位，通過差分處理給出經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系的大地坐標(biāo);數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實時記錄載體慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)信息;時間統(tǒng)一系統(tǒng)（簡稱時統(tǒng)），負(fù)責(zé)給各測量系統(tǒng)提供一致的時間基準(zhǔn)。

小型光學(xué)電視跟蹤經(jīng)緯儀與大型光電經(jīng)緯儀原理相同，在兩軸精密轉(zhuǎn)臺上架設(shè)光學(xué)測量系統(tǒng)，敏感可見光波段，可以在較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)（10～20km）利用電視跟蹤器鎖定并自動跟蹤目標(biāo)，實現(xiàn)在動態(tài)條件下的連續(xù)測量。通過本方法獲取航向?qū)怆娊?jīng)緯儀的選擇有一定特殊要求：

（1）要體積小、重量輕、精度高;

（2）要有電視自動跟蹤能力，這樣才能保證動態(tài)條件下連續(xù)測量;

（3）要有較遠(yuǎn)的作用距離，這樣能夠增加基線長度，有效提高測量精度;

（4）要具備時間統(tǒng)一同步功能，為實時數(shù)據(jù)處理提供保證。

利用小型電視經(jīng)緯儀跟蹤特定目標(biāo)并結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，完成對艦船在動態(tài)（帶有橫搖、縱搖和偏航姿態(tài)的航行）條件下航向真值的測量。將小型電視經(jīng)緯儀搭載在艦船上跟蹤鎖定已知目標(biāo)（岸標(biāo)），得到艦船艏艉線與瞄準(zhǔn)線之間的夾角Ac，由精密GPS測定經(jīng)緯儀測量中心坐標(biāo)，經(jīng)過大地解算得到瞄準(zhǔn)線的大地方位角Ag，測量載體姿態(tài)角通過坐標(biāo)變換將兩個角變換到艦船坐標(biāo)系下，最后進(jìn)行矢量疊加即可得到艦船的艏艉線與大地真北的角度即航向真值。如圖l所示。

2 航向真值算法模型

2.1 誤差修正

誤差包括水平安裝誤差和方位引建誤差，兩部分偏差都需要進(jìn)行修正。水平安裝誤差是經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系水平面與艦船坐標(biāo)系水平面在縱搖、橫搖兩個方向上的偏差角，艏艉線引建偏差是經(jīng)緯儀與艦船艏艉線對準(zhǔn)時方位角與零位的插值，即此時的方位輸出值。兩部分合起來可以表示為三個方向上的歐拉角（ψ修，θ修，γ修），采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行修正，經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系為（x，y，z），艦船坐標(biāo)系為（x，y，z），兩者之間關(guān)系滿足（不計坐標(biāo)原點位置）：

因此，轉(zhuǎn)換到艦船坐標(biāo)系下的目標(biāo)方位和俯仰角表達(dá)式為公式（8）。

經(jīng)過安裝誤差修正后的經(jīng)緯儀測量角與艦船坐標(biāo)系一致，也就是與艦船姿態(tài)數(shù)據(jù)在同一個坐標(biāo)系內(nèi)，可以進(jìn)行下一步坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的是將艦船坐標(biāo)系下的經(jīng)緯儀測量角轉(zhuǎn)換為地平坐標(biāo)系下的方位和俯仰角，用來進(jìn)行真值解算。將艦船坐標(biāo)系下的經(jīng)緯儀測量角經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)變換到地平坐標(biāo)系下的三個歐拉角，代表艦船的瞬時姿態(tài)。不考慮偏航角的影響下姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣可以簡化為公式（9）。

因此，最終轉(zhuǎn)換表達(dá)式為公式（10）。

經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)緯儀測量角變換成了大地坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。這還不是我們需要的水平方位角，還需要進(jìn)行一次變換，將空間方位角投影到水平面上來即可得到經(jīng)緯儀測量水平方位角，公式如下：

2.5 真值解算

得到了轉(zhuǎn)為地平坐標(biāo)系下的經(jīng)緯儀測量方位角和GPS解算的大地方位角后，就可以得出最后的真值航向角了。公式為：

A真= A經(jīng)緯儀-A大地

（19）

3 應(yīng)用結(jié)果分析

該算法對某次導(dǎo)航精度試驗中艦船航向真值進(jìn)行解算，通過數(shù)據(jù)融合處理方法解算出的結(jié)果與艦船慣導(dǎo)輸出結(jié)果比對差的均方值最大僅為80”，優(yōu)于導(dǎo)航精度試驗要求（

）。從圖2的曲線中可以看該算法所解算出的真值航向與試驗艦艦載平臺羅經(jīng)輸出航向角變化一致，達(dá)到了試驗技術(shù)指標(biāo)要求，精度滿足導(dǎo)航精度試驗的測量要求。

4 結(jié)束語

利用電視經(jīng)緯儀和GPS組合測量方法既解決了GPS測量法測量基線與載體艏艉線之間偏差標(biāo)定的問題，又解決了傳統(tǒng)手動光學(xué)測量法人工讀數(shù)的問題。該方法不僅適合各種艦艇使用，同時能夠適應(yīng)直升機使用，具有廣泛的應(yīng)用前景，為導(dǎo)航精度試驗提供了新方法。

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