基于雙天線測向的航向?qū)?zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法研究

白玉棟,李景巖

(91404部隊(duì),河北 秦皇島 066000)

0 引 言

艦船航向精度關(guān)系到武器系統(tǒng)和探測系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮,在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)中,航向精度檢驗(yàn)是其他裝備試驗(yàn)的基礎(chǔ)[1-2]。艦船的姿態(tài)測量系統(tǒng)通常采用慣性測量設(shè)備,由于慣性元件的零偏、漂移問題,長時(shí)間工作系統(tǒng)精度變差,為了滿足長時(shí)間保持精度的試驗(yàn)需求,需要對慣導(dǎo)測姿系統(tǒng)艏向角零偏、漂移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,本文將研究基于衛(wèi)星載波相位差分航向測量,以實(shí)現(xiàn)艦船航向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。雙天線航向測量設(shè)備是在載體平臺(tái)上適當(dāng)配置兩個(gè)天線,利用雙頻載波相位差分測量技術(shù),求解基線矢量,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得載體航向角、俯仰角,從而得到載體的航向信息[3-5]。受到艦船甲板建筑的限制和安裝誤差的影響,實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)天線在艦船上架設(shè)位置的連線與艦船艏艉線不平行,造成航向測量與艦船實(shí)際航向存在誤差。本文結(jié)合艦船艏向角零位檢查試驗(yàn),分析艦船姿態(tài)及天線架設(shè)位置對航向測量誤差影響,研究適合艦船試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法。

1 相關(guān)坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6-7]

1.1 艦船地理坐標(biāo)系

艦船地理坐標(biāo)系O-XTYTZT的原點(diǎn)O位于艦船搖擺中心,XT軸平行于當(dāng)?shù)厮矫嬷赶蛘龞|,YT軸平行當(dāng)?shù)厮矫嬷赶蛘?ZT軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫嫦蛏?XT、YT和ZT組成右手坐標(biāo)系。艦船地理坐標(biāo)系是以艦船搖擺中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)用(xT,yT,zT)表示。

1.2 艦船甲板坐標(biāo)系

艦船甲板坐標(biāo)系O-XBYBZB的原點(diǎn)O位于艦船搖擺中心,YB軸平行于艦船艏艉線指向艦艏,XB軸垂直YB軸且平行于甲板指向艦船右舷,ZB軸垂直甲板向上,XB、YB和ZB組成右手坐標(biāo)系。艦船甲板坐標(biāo)系是以艦船搖擺中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)用(xB,yB,zB)表示。

1.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

艦船地理坐標(biāo)系O-XTYTZT和艦船甲板坐標(biāo)系O-XBYBZB的原點(diǎn)都位于艦船搖擺中心,從艦船地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到艦船甲板坐標(biāo)系只需要進(jìn)行角度的旋轉(zhuǎn),按先航向、再縱搖最后橫搖的變換順序進(jìn)行。即艦船地理坐標(biāo)系經(jīng)由航向變換矩陣R(h),縱搖變換矩陣R(p),最后由橫搖變換矩陣R(r)轉(zhuǎn)換到艦船甲板坐標(biāo)系。

其中,

聯(lián)系人: 白玉棟E-mail: baiyudong2003@126.com

(1)

(2)

甲板坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系表示為

(3)

2 測量誤差分析

(4)

(5)

Q=A′-h

(6)

由式(6)可知,雙天線航向測量系統(tǒng)航向測量誤差與航向無關(guān),與艦船縱橫搖、天線架設(shè)位置相關(guān)。為研究艦艇姿態(tài)和天線架設(shè)位置對測量誤差的影響,對單獨(dú)存在水平架設(shè)偏差、垂直架設(shè)偏差時(shí)受縱搖、橫搖影響及單獨(dú)存在橫搖、縱搖受水平架設(shè)偏差、垂直架設(shè)偏差情況進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖1～圖4所示。

A=5°,H=0°,橫搖范圍為-20°～20°,縱搖范圍為-30°～30°,誤差分布如圖1所示;A=0°,H=5°,橫搖范圍為-20°～20°,縱搖范圍為-30°～30°,誤差分布如圖2所示。分析可知:水平架設(shè)偏差帶來的測量誤差受艦船縱搖影響較橫搖影響大;垂直架設(shè)偏差帶來的測量誤差受橫搖影響較縱搖影響大。

圖1 A=5°,H=0°航向誤差與縱橫搖關(guān)系

圖2 A=0°,H=5°航向誤差與縱橫搖關(guān)系

r=5°,p=0°,架設(shè)位置A為-20°～20°,H為-30°～30°,誤差分布如圖3所示;r=0°,p=5°,架設(shè)位置A為-20°～20°,H為-30°～30°,誤差分布如圖4所示。分析可知:艦船橫搖帶來測量誤差受水平架設(shè)偏差影響較垂直架設(shè)偏差影響大;艦船縱搖帶來測量誤差受水平架設(shè)偏差影響較垂直架設(shè)偏差影響大。

圖3 r=5°,p=0°航向誤差與天線位置關(guān)系 圖4 r=0°,p=5°航向誤差與天線位置關(guān)系

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對某型艦船導(dǎo)航艏向角零位檢查試驗(yàn)中,雙天線航向測量系統(tǒng)作為真值測量設(shè)備,數(shù)據(jù)率10 Hz,輸出航向測量值A(chǔ)′,艏艉天線架設(shè)在艏艉線標(biāo)志位上,艏艉線標(biāo)志位甲板水平距離107 m,高差-4.28 m; 慣導(dǎo)輸出艦船姿態(tài)信息r,p,h″,數(shù)據(jù)率40 Hz,按照時(shí)間對齊,由式(7)計(jì)算出同一時(shí)刻慣導(dǎo)航向h″與約定真值h之差Δh,作為慣導(dǎo)航向?qū)?zhǔn)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量,實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)條件下慣導(dǎo)艏向角零位對準(zhǔn)。其中,A′、r,p,h"為測量值,Q為根據(jù)公式(6)計(jì)算出的航向測量誤差。

Δh=h"-h=h"-(A′-Q) .

(7)

圖5為部分時(shí)間段試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)曲線,表1為試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖5(a)為試驗(yàn)期間慣導(dǎo)航向測量值h″和雙天線測量系統(tǒng)航向測量值A(chǔ)′;圖5(b)顯示動(dòng)態(tài)條件下橫搖動(dòng)態(tài)范圍大于縱搖動(dòng)態(tài)范圍,本次試驗(yàn)測量天線架設(shè)只有垂直架設(shè)偏差,橫搖對測量誤差起到主要作用; 圖5(c)示出了航向修正值范圍在-0.009～0.004之間,而雙天線航向測量精度為0.002°,由天線架設(shè)偏差和縱橫搖帶來的航向測量誤差超出雙天線設(shè)備本身的測量誤差,必須要進(jìn)行航向修正,才能提高真值的準(zhǔn)確度。表1結(jié)果顯示,利用測量誤差模型修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),慣導(dǎo)航向?qū)?zhǔn)數(shù)據(jù)隨機(jī)差要比未修正前隨機(jī)差小,在一定程度上提高對準(zhǔn)精度。

圖5 測量值及處理結(jié)果 (a)慣導(dǎo)與雙天線設(shè)備航向測量數(shù)據(jù); (b)慣導(dǎo)縱橫搖測量數(shù)據(jù); (c)雙天線設(shè)備測量誤差

樣本量慣導(dǎo)航向測量值與雙天線測量值比較慣導(dǎo)航向測量值與約定真值比較系統(tǒng)差隨機(jī)差系統(tǒng)差隨機(jī)差345770.019787°0.005199°0.020233°0.004357°

4 結(jié)束語

本文通過分析雙天線安裝偏差導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)條件下航向測量誤差,利用慣導(dǎo)設(shè)備輸出的縱橫搖信息,依據(jù)推導(dǎo)的測量誤差公式對測量結(jié)果進(jìn)行修正,得出慣導(dǎo)航向測量值與航向約定真值的差值作為統(tǒng)計(jì)量,在艦船艏向角零位對準(zhǔn)試驗(yàn)中能夠提高檢測精度,滿足試驗(yàn)要求。同時(shí),艦船形變及慣導(dǎo)輸出的縱橫搖精度對測量影響未作考慮,在后續(xù)研究中需進(jìn)一步完善。

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