船载外测设备方位误差超标问题分析.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 13 年8 月 飞行器测控学报 J o u r n a lo fS p a c e c r a f tT T & CT e c h n o l o g y V 0 1 3 2N o 4 A u g 2 0 1 3 船载外测设备方位误差超标问题分析 李辉芬，朱伟康，陈红英，冯小勇，底丽萍 ( 中国卫星海上测控部江苏江阴2 1 4 4 3 1 ) 摘要：针对航天测量船船载外测设备长期存在的方位误差超标现象，研究了测量船轴系误差修正方法和船载设 备角度误差修正原理，发现测量船船载外测设备光机偏差修正模型与方位零值标定方法不匹配，存在重复修正光 机偏差误差的现象，从而导致该项误差偏大时引起方位误差超标。提出了测量船方位零位以机械轴为基准标定时 的光机偏差修正的改进模型，并利用测量船校飞数据和卫星发射测量数据进行了仿真测试。测试结果验证了改进 模型的正确性，解决了测量船外测设备方位误差超标的难题。 关键词：船栽外测设备；方位误差分析；光机偏差；方位零位 中图分类号：V 5 5 7 文献标志码：A文章编号：1 6 7 4 5 6 2 0 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 3 3 6 0 4 D O I ：1 0 7 6 4 2 j i s s n 1 6 7 4 5 6 2 0 2 0 1 3 0 40 3 3 60 4 A n a l y s i so fN o n - C o m p l i a n tA z i m u t hE r r o r so f S h i p 。- B o r n eS p a c eT r a c k i n gE q u i p m e n t L IH u i f e n ，Z H UW e i k a n g ，C H E NH o n g y i n g ，F E N GX i a o y o n g ，D IL i p i n g ( C h i n aS a t e l l i t eM a r i t i m eT r a c k i n ga n dC o n t r o lD e p a r t m e n t ，J i a n g y i n ，J i a n g s uP r o v i n c e2 14 4 3 1 ) A b s t r a c t ：A x i a le r r o rc o r r e c t i o nm e t h o da n da n g u l a re r r o rc o r r e c t i o nt h e o r yf o rs h i p b o r n es p a c et r a c k i n ge q u i p m e n t a r es t u d i e dt os o l v et h el o n g l a s t i n gp r o b l e mo fn o n - c o m p l i a n ta z i m u t he r r o r so ft h ee q u i p m e n t D i s a g r e e m e n ti s f o u n db e t w e e nt h eo p t i c a l m e c h a n i c a la x i sn o n p a r a l l e l i s mm o d i f i c a t i o nm o d e la n dt h ez e r oa z i m u t hv a l u ec a l i b r a t i o n m e t h o da n di tg i v e sr i s et or e p e a t e dc o r r e c t i o no fo p t i c a l m e c h a n i c a la x i se r r o r s ，t h u sr e s u l t i n gi nn o nc o m p l i a n ta z i m u t he r r o r sw h e nt h o s ee r r o r sa r el a r g ee n o u g h B a s e dO Ht h ea b o v ef i n d i n g s ，a ni m p r o v e dm o d e li sp r o p o s e df o r c o r r e c t i o no fo p t i c a l m e c h a n i c a la x i se r r o r sw h e nt h ez e r oa z i m u t hv a l u eo ft h et r a c k i n gs h i pi ss e tu s i n gt h em e c h a n i - c a la x i sa st h er e f e r e n c eo fc a l i b r a t i o n C o r r e c t n e s so ft h em o d e li sv e r i f i e du s i n gd a t am e a s u r e di nf l i g h tt e s t so f s p a c et r a c k i n gs h i p sa n ds a t e l l i t el a u n c hm i s s i o n s E x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h ei m p r o v e dm o d e la n dt h ep r o b l e m o fn u n - c o m p l i a n ta z i m u t he r r o r so fs h i p b o r n es p a c et r a c k i n ge q u i p m e n ti ss u c c e s s f u l l ys o l v e d K e y w o r d s ：s h i p b o r n es p a c et r a c k i n ge q u i p m e n t ；a z i m u t he r r o ra n a l y s i s ；o p t i c a l m e c h a n i c a la x i sn o n p a r a l l e l i s m ；z e r oa z i m u t hv a 】u e 0 引言 为满足航天发射任务海上测控的需求，在测量 船上增装了多种测控设备。在对船载外测设备进行 动态精度检测时，发现有些设备多次出现方位误差 偏大的现象，有的方位系统差甚至远远超出了设备 的精度指标。经统计，发现方位误差偏大现象没有 规律，与测量船、设备类型及时间没有明显的关系。 在同一艘测量船上，有的外测设备超差，而有的外测 设备却不超差；对于同一类型的外测设备，在不同测 量船上情况也不尽相同；同一套外测设备，在不同时 期其方位误差大小也在变化，从时间上也看不出明 显的规律。由于误差偏大现象随机出现，该问题一 直未能解决。 测量精度是测量船外测设备的重要指标，为确 保测量精度，要求外测设备本身要具有一定的轴系 精度，适时地对设备进行标定和校准，即通过一定的 测量手段，建立统一的坐标系，确定设备的误差修正 * 收稿日期：2 0 1 3 - 0 3 0 5 ；修回日期：2 0 1 3 - 0 3 2 6 ；网络出版时间：2 0 1 3 - 0 7 1 91 0 ：2 1 网络出版地址：h t t p ：w w w c n k i n e t k c m s d e t a i l 1 1 4 2 3 0 T V 2 0 1 3 0 7 1 9 1 0 2 1 0 0 1 h t m l 第一作者简介：李辉芬( 1 9 6 8 一) ，女，硕士，研究员，主要研究方向为数据处理与精度分析；E m a i l ：w y l h f y e a h n e t 万方数据 第4 期 李辉芬，等：船载外测设备方位误差超标问题分析 模型系数，同时对各设备的工作参数进行校准。 1 船载外测设备测量误差 船载无线电测量设备( 包括脉冲雷达和微波统一 测控系统) 的轴系包括方位旋转轴和俯仰旋转轴，另 外还有光轴和电轴。由这些轴构成测量坐标系，坐标 原点。在三轴交点上，其中光轴或电轴是测量( 指向) 轴。当方位旋转轴不垂直于甲板坐标系基准平面、俯 仰旋转轴不垂直于方位旋转轴、光轴不垂直于俯仰旋 转轴和电轴不平行于光轴时，都会引入测角误差 1 。 在测量船坞内标校时须标定这些轴系误差参数，以达 到对测量数据轴系误差进行修正的目的。 零位误差是一种系统误差，是调零不准产生的 一个固定误差，与标定误差相同，可作为标定误差的 一部分。船载测量设备的零位误差是在相关专用坐 标系中定义的，每个测量元素都有零位误差。无线 电测量设备俯仰零位指光轴与方位转盘平面平行 时，俯仰轴角编码器的输出值；方位零位指机械轴与 方位基准镜法线平行时，方位轴角编码器的输出值。 零位误差从严格意义上来说不是误差，而是一种参 考基准位的偏移，需要将其标定出来进行修正。 2 误差修正方法 船载无线电测量设备的基本测量元素是斜距 R 、方位角A 和俯仰角E ，在测量坐标系中定义如 下： R 为设备三轴中心到目标的距离； A 为机械轴在方位旋转平面内的投影与方位基 准镜法线的夹角，以船艏为起点，顺时针为正； E 为标校电视光轴与方位旋转平面的夹角，从 方位旋转平面起算，向上为正。 在测量信息中存在测量误差，包括随机误差和 系统误差，为提高弹( 轨) 道参数的精度，必须对系统 误差进行修正，尽可能地抑制随机误差的影响。误 差修正时规定 真值= 测量值一误差 船载外测设备使用的系统误差修正公式如下 A A 。一A o p ms i n ( A 。一A 。) t a n E 。一 跣t a n E 。一S b ( s e c E 。一1 ) 一C 。s e c E 。( 1 ) E = E 。一E o 一风c o s ( A 。一A 。) 一C 。一A E 。c o s E 。 ( 2 ) 式中A 、E 为轴系误差和零位修正后的方位角、俯 仰角；A 。、E 。为测量设备轴角编码器输出值；A 。、E o 为方位零位和俯仰零位；风、A 。为大盘最大倾斜量 和最大倾斜方向；艿。为方位轴和俯仰轴不正交产生 的误差；S 。为光机偏差；C 。、C 。为横向、纵向光电偏 差；A E 。为天线重力下垂误差。 为解决船载设备方位误差超标的问题，对测量 船各类误差的影响进行敏感性分析，发现光机偏差 影响显著。光机偏差是由于光轴不垂直于俯仰轴引 起的，从式( 1 ) 可知光机偏差修正模型为S 。( s e c E 。 一1 ) ，它主要引起方位角误差。 3 光机偏差修正原理 光轴不垂直于俯仰轴引入的误差称为光机偏 差，下面分析光机偏差修正原理。图1 为光机偏差 示意图，图中Z 为天顶；0 Z 为垂直轴；0 0 7 为水平 轴；O Z 垂直于O O7 ；O A 是没有光机偏差时的光轴。 随着高低角的增大，光轴所画的圆弧为A Z ；若存在 光机偏差，光轴不为O A ，而是O A7 ，当高低角增大 时，光轴所画圆弧为A7 N 。当E - - _ 么A O M 时，在方 位上所引起的误差为A 。，它是平面Z o A M 和平 面Z O K N 的二面角，因平面Z O A M 和平面Q 7 N M 0 垂直，故球面三角形Z M N 是球面直角三角 形，么N O M = S b ，么Z O M = 9 0 。一E ，可得 2 1 s i n ( 9 0 。一E ) 一t a n S b c o t A A s b t a n A A s b t a n S b s e c E A s