测量船基于标校经纬仪的雷达光轴动态标定方法研究

第１１卷第３２期２０１１年１１月　科学技术与工程　Ｖ０１．１１　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．２０１ｌ　１６７１—１８１５ｆ２０１１）３２—８０８９—０４　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑥２０１　１　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　测量船基于标校经纬仪的雷达光　轴动态标定方法研究　孙　昊李志坚　吴旭贤姜永刚　（中国卫星海上测控部，江阴２１４４３１）　摘要通过对航天测量船船载雷达标定原理分析，推导出基于标校经纬仪的雷达光轴标定计算公式，并提出动态条件下船　载雷达光轴标定的新方法。应用结果表明：该方法具有较高的可信度，能够解决动态情况下船载雷达光轴无法标定的技术难　题，极大地提高船载雷达测量精度，具有一定的实际应用价值。　关键词动态标定　船载雷达　标校经纬仪　文献标志码Ａ　中图法分类号Ｕ６６５．２２；　随着航天事业的飞速发展，现代航天任务对测　控站测量系统的测量准确度提出了很高的要求。　与陆地雷达　伺服系统相比，测量船在海上受风浪　等环境因素影响而不停地运动，船载雷达　随载体　的运动也在不停地运动，为了实现对目标飞行器的　精确定轨，船载雷达的测量精度显得尤为重要。　理想状态下，雷达对目标进行跟踪测量时，机　械轴以大地坐标为基准，以电轴对准目标，伺服系　统的光轴、电轴、机械轴三轴重合，实现高精度测　量。实际上，由于传统工艺等缺陷，天线的光轴、电　轴、机械轴不可能完全重合。在现有标校方法中，　光轴已尽可能准确地与机械轴重合，通常以光轴代　替机械轴与电轴进行标校ｌ３　Ｊ。因此，光轴是雷达进　行角度测量的基准，如果光机偏差不稳定，将直接　带来角度测量误差。测量船执行海上测控任务出　海时间长，受海上动态环境影响，雷达光轴是否会　发生偏移，缺乏检验的比对基准。针对这个问题，　本文提出了一种验证雷达光轴稳定性的新方法，即　传统的光轴标定需要测量船进坞实施设备标　校。坞内标校是让测量船进船坞坐墩，使之静止不　动，并在船坞四周建立方位标、距离标、校准塔和大　地测量基准点等标校设施，以真地平和方位标的大　地测量成果为基准，对雷达设备进行全面地标校，　获得高精度的零位和轴系误差数据，并归算到惯导　甲板坐标系中。　１．１船进坞坐墩　１传统光轴标定方法　为简化标校方法，便于使用现有标校工具，使　甲板坐标系接近地平坐标系，应保证船进坞坐墩后　的置平度在５角分以内。进坞坐墩的置平度取决于　坞墩排列的水平度。因此，在船进坞前，应在坞底　按测量船的底部形状排列坞墩，并经过认真检查验　收。在船进坞后，应调整压载，使船左右平衡，并控　制船艏艉线对准船坞中轴线，然后再排水坐墩。在　排水过程中，应在全船基准平台上用两台水平仪连　续监测船体的纵倾和横倾，如发现大于５角分应重　新坐墩。　１．２大地测量　通过雷达和经纬仪联合测星，计算雷达光轴与经纬　仪光轴之间的差值，从而克服船摇带来的影响，实　现海上动态环境下的雷达光轴标定。　２０１１年８月１０日收到，８月２５日修改　通信作者简介：李志坚。Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｅｚｈｉｑｕａｎ＠１６３．ｃｏｍ。　为提供各设备用的方位标数据（大地方位角、　高低角和距离），需在船坞周围确定三个基准点。　８０９０　科学技术与工程　ｊ个基准点应具有　等大地控制网精度，并应在船　进坞前对它们进行大地联测。通过大地联测和平　差计算获得二三个基准点和六个方位标的大地测量　成果资料。　船进坞当天各测量设备应按规定位置安装标　志灯，并配合大地测量将标志灯调到各设备的方位　旋转轴上。然后在某个基准点上，用全站仪观测该　基准点到各设备标志灯的水平角、距离和高低角，　解算获得各测量设备三轴中心的坐标数据，由坐标　反算获得各方位标的大地方位角，由高程反算获得　高低角。设备点所需的天文坐标和垂线偏差分量　由基准点加测一等天文点后由该点大地归心求得。　需提供的大地测量成果为：各测量设备三轴中　心的天文与大地经纬度、垂线偏差分量、正常高、高　程异常及其到各方位标的大地方位角与高低角、天　文方位角与高低角和斜距；天线望远镜光轴与测量　电视光轴偏心于三轴中心的方位角与高低角改正　数；经纬仪二三轴中心到激光合作目标的距离等。　１．３光机偏差标定　（１）用反向法依次对各方位标进行测量，连续　三个测回；　（２）按下式计算望远镜及标校电视光机偏差ｓ　：　Ｓ　＝（Ａ正　一Ａ倒　＋１８０。）／２一Ｓ　（当０。≤　正　＜１８０。）；　Ｓ６　＝（Ａ正　—Ａ倒　一１８０。）／２一Ｓ　（当１８０。≤Ａ正　＜３６０。）；　Ｓ６＝∑Ｓ　／ｎ，ｉ＝１，２，３。　式中：ｓ　望远镜或标校电视光轴偏心于设备三轴中心　的第ｉ个方位标的方位改正数，由大地测量成果提供。　（３）按下式计算光机偏差修正量：　ＡＡ＝一Ｓ６ｓｅｃＥ。　式中：　△Ａ一光机偏差对方位的修正量；　Ｅ一目标俯仰角测量值。　注：（１）Ｓ　＞０表示光轴落后于机械轴；　（２）若用反向法对“＃”标校板对称光标进行测　量，则Ｓ　。　２联合测星新方法　测量船测量设备标校技术是海上测控技术的　重要组成部分。由于测量船长期出海，相对动态条　件下缺乏相关技术对雷达光轴进行标定，从而不能　检测设备的测量精度。因此提出“硬比较法”来评　定雷达光轴设备的综合精度。所谓“硬比较法”是　指选用测量精度更高的测量设备做比较标准设备，　与被鉴定设备同时跟踪测量同一目标，然后按被鉴　定测量设备的测量元素比较两者的测量结果，依此　来获得被鉴定设备的系统误差和随机误差。测量　船上，标校经纬仪作为测量船航向比对基准，安装　于惯导平台正上方，与惯导平台固联，可视为刚体。　它的指向精度达ｌ０”，大大优于雷达的测量精度。　因此，可以利用经纬仪和雷达光轴同时跟踪测量星　体的方法　Ｊ，对雷达光轴进行标定。　一　，　，，　，设备１　经纬仪　设备２　图１船载雷达、经纬仪示意图　２．１原理及公式　以设备２为例进行计算，设备１同理。　（１）正常情况下，经纬仪到恒星之间的距离与　雷达天线到恒星的距离相一致，距离无穷远，设备２　和经纬仪联合测星，在光轴跟踪状态下，设备２天线　的方位角、俯仰角与经纬仪的方位角、俯仰角近似　相等。在惯导坐标系下，距离近似相等，设　、　为　雷达天线坐标系中方位、俯仰角、　、　为经纬仪在　坐标系中的方位、俯仰角。测星设备在零位统一的　坐标系内；由于雷达设备与经纬仪设备之间本身存　在一定的高度差，即：ｈ值固定，由上述条件可得：　ｓｉ　＝　ＳＣ。　ｓｉｎｌ３，：　。　ＳＣ—ｓｄ＝ｈ（ｈ值等于５　ｍ）。　３２期　孙吴，等：测量船基于标校经纬仪的雷达光轴动态标定方法研究　因为经纬仪与雷达到恒星之间的距离为无穷　动自动化测星标校程序；　远，所以ｓａ　ｓｏ即：　ｌ＝　；　＝——＝——×　ａｅｅｏｓｏｔ１＝　＝　×＂ｑ３ｓｍｌ３－；１：　０Ｃ　ｎ　ＣＯＳＯ／２＝　＝　ｘ　ｓｉｎ／３ｚ。　因为经纬仪与雷达天线在水平面的距离为固　定值，即：　１　Ｏｔ２。　利用经纬仪从星库中引星｜５　Ｊ，雷达设备利用经　纬仪的数引数据进行测星，读取各设备问的方位、　俯仰值并记录；多次测星比较雷达与经纬仪方位、　俯仰之间的差值，根据经纬仪的数据算取雷达设备　的方位俯仰多次数据的平均值，即为雷达设备光轴　的误差值。　（２）实际设备２天线和经纬仪的光轴不可能与　机械轴完全重合，根据大地测量成果，要叠加设备２　天线和经纬仪的光机偏差。　雷达设备光轴出现偏差，造成零位误差。通过　上式中算出的雷达设备方位、俯仰的平均值与经纬　仪方位、俯仰的平均值进行比较，算出雷达的方位、　俯仰误差。将误差值通过中心机装订进行修订以　达到精确定轨的目的。　２．２具体方法及步骤　（１）在码头和海上进行惯导的不水平度和航向　角偏差由ＧＪ—ｌ１０４经纬仪同步或准同步测星，　ＧＪ—ｌ　１０４经纬仪解算获得。　前端机首先进行星表检索，建立使用星表文　件；实时解算：星表文件、座标变换、船摇稳定计算、　提供角数引导数据、终端计算机；前端机、数据处理　机启动自动化测星程序，进行自动化拍星；用测量　电视’狈０出仰角在２０。一６５。方位间隔大体一致的　颗星，每颗星测ｍ组数据，修正编码器零位，由甲板　系坐标变换到地平系并进行变形、惯导的不水平度　和航向角偏差修正，然后与理论位置比对。　（２）自动化测星标校方法及步骤：　①标校经纬仪、设备ｌ和设备２的设备微机启　②根据各设备标校电视测星最低星等的能力，　选择比最低星等稍亮且方位角在０。一３６０。、俯仰角　在２０。～６０。之间、四个象限均匀分布的星，装订测　星时间和坞内各设备大地测量成果提供的天文经　纬度，自动生成观测星表、蒙气差表和气温变差乘　数的改正系数表；　③在时统控制下，由设备微机引导各设备完成　自动化测星工作，每次测３０颗星；　④各设备微机启动测星解算程序，按各设备的　误差模型解算出各设备的零值和轴系误差，并与坞　内常规标校结果比对，检验鉴定静态条件下自动化　测星程序的正确性和测星精度。　经纬仪与雷达联合测星，经纬仪的指向精度　ｒｏ　，ｏｒＢ≤１０　；ＵＳＢ天线的指向精度ｏｒＡ，ｏｒ口≤７２”。由　于经纬仪光轴的稳定性比雷达高，因此在动态环境　下通过经纬仪标校雷达光轴的准确性从而验证电　轴的稳定性，达到雷达的精确定轨。　３结束语　通过雷达和经纬仪联合测星法，可以克服船摇带　来的影响，实现了海上动态环境下的雷达光轴标定。　此方法不受外界环境限制，可以随时对雷达系统进行　精度检验，为雷达能以更高的精度要求参战打下良好　技术指标基础。同时，利用方法可实现对雷达光轴的　长期检测、监视，为测量船积累宝贵数据。　参考文献　ｌ　杨斌峰．地面测控雷达角度标校技术．现代电子技术，２００５；　（１７）：４７—５２　２谢君虹，靖军红，朱爱红，等．新型舰船雷达标校系统的同步研　究．火力与指挥控制，２０１０；（０９）：１８ｌ—ｌ８３　３钟德安，张同双，李晓勇，等．基于标校经纬仪的测量船坞内标校　新方法．无线电工程，２００９；（０７）：４９—５２　４袁诚宏，朱晓峰，陈健，等．基于联合放球的船载雷达角度零值　标校方法．飞行器测控学报，２００９；（ｏ４）：２０—－２３　５张光明，王建军，郭丽虹．经纬仪的自动星体标校．光学精密工　程，１９９９；７（４）：９１＿＿９５　８０９２　科学技术与工程　Ｔｈｅ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｄａｒ　Ａｘｉｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ＴＴ＆Ｃ－ｓｈｉｐ　ＳＵＮ　Ｈａｏ，ＬＩ　Ｚｈｉ－ｊｉａｎ　，ＷＵ　Ｘｕ—ｘｉａｎ，ＪＩＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｇａｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ　２１４４３１）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｅｓｓａｙ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｒａｄａｒ　ａｘｉｓ　ｉｎ　ＴＦ＆Ｃ—ｓｈｉｐ，ｃｏｎｄｕｃｔｓ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓ—　ｓｉ０ｎｓ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ａｘｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ．ａ　ｎｅｗ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｒａｄａｒ　ａｘｉｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏ－　ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｒｉａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ａｘｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｒｅｄ　ｉｓ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　ａｃｔｕａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　『Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｒａｄａｒ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ　≯　（上接第８０７６页）　Ｔｈｅ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｄｉａｐｈｒａｇｍ　Ｗａｌｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ＨＯＵ　Ｍｉｎｇ—ｘｕｎ　，ＦＡＮＧ　Ｙｉｎｇ—ｇｕａｎｇ　，　，ＨＵ　Ｇｕｉ—ｘｉａｎ　，ＧＵ　Ｒｅｎ—ｇｕｏ　，　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　，Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｗａｌｌ　ｉｎ　ａｎ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ　ＦＥＡ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｒｏｕｎｄ　ｃｏｎｔｇｉｎｕｏｕｓ　ｗａｌｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ－－ｐｕｒｐｏｓｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ　ｉｓ　ｅｓｔａｂ＿・　ｌｉｓｈｅｄ，ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｔ．Ｔｈｅｎ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａ－　ｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎｅｓ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ＡＮＳＹＳ　）　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｗａｌｌ　＼　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｖａｌｕｅｓ　≯　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐ　（上接第８０８３页）　Ｓｈｏｒｔ　Ｔｏｗｅｒ　Ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｌｏａｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ＬＵＯ　Ｔｉｎｇ　（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｓｈａｗａｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｈｏｗｎ　ｔｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ａ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｗａｙ　ｏｆ　Ｓｈｏｒｔ　Ｔｏｗｅｒ　Ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔｂｌａｉｓｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｉｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅ．Ｉｔ　ｃｏｎｔｉｒｂｕｔｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ　ｔｏｗｅｒ　ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔ　Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ　ｓｈｏｒｔ　ｔｏｗｅｒ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ