基于标校经纬仪的测量船坞内标校新方法_钟德安.docx

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1、专题技术与工程应用 基于标校经祎仪的测量船坞内标校新方法 钟德安，张同双，李晓勇，冯鸿奎 (中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431) 摘 要 光 轴 漂 移 和 惯 性 导 航 设 备 惯 性 元 件 更 新 维 护 ， 是 船 载 无 线 电 测 量 设 备 测 量 精 度 逐 渐 下 降 的 主 要 原 因 。 为 此 ，提 出 了 一 种 标 校 新 方 法 ，以 标 校 经 纬 仪 测 量 数 据 为 基 准 ，在 甲 板 系 中 标 定 无 线 电 测 量 设 备 零 位 和 轴 系 误 差 ， 同 时 通 过 坐 标 系 取 齐 达 到 消 除 惯 导 姿 态 测 量 误 差

2、的 目 的 。 分 析 表 明 ， 该 方 法 完 全 满 足 无 线 电 测 量 设 备 标 校 精 度 要 求 ， 具 有 简 便 、 经 济 、 高 效 等 优 点 ， 是 保 持 和 提 高 测 量 船 测 量 精 度 的 有 效 途 径 。 关 键 词 惯 性 元 件 ； 精 度 ； 标 校 ； 轴 系 误 差 ； 坐 标 系 取 齐 中 图 分 类 号 V556 文献标识码 A 文章编号 1003 3106(2009)07 0049 04 A New Calibration Method Based on Calibration Theodolite for Spacecraft

3、TT &C Ship at Dock ZHONG De-an, ZHANG Tong-shuang, LI Xiao-yong, FENG Hong-kui China Satellite Maritime Tracking and ControlDq?artmen“ Jiangyin Jiangsu 214431 ， China ) Abstract The updating and maintenance of inertial sensor for inertial navigation system and the pointing drift of optical axes are

4、main factors leading to measuring precision degradation of radio tracking system gradually. A new calibration method based on calibration theodolites measure data is proposed ， in lich the azimuth-zero value and axes-systematic error of radio tracking system are calibrated in deck coordinate system.

5、 Moreover， the attitude determination error due to inertial navigation system is eliminated by coordinate system unification. The analysis shows that the method meets the requirement on calibration precision of radio tracking system. It has the advantage in terms of simpleness, convenience, economic

6、al efficiency, high efficiency etc. It is the effective approach for holding and improving the measuring precision of spacecraft TT SC ship. Key words inertial sensor; precision； calibration； axes-systematic error； coordinate system unification 0引言 为确保测量船的测量精度，必须适时对测量设 备误差参数进行标定。传统坞内标校方法组织实施 难度大、周期长

7、、耗费多，因此一般只在测量船建成 时或设备进行了较大规模的技术改造后才进行。由 于测量船长时间不能进行坞内标校，再加上使用中设 备维护等因素，设备误差参数或多或少发生了变化， 使测量精度产生一定程度的下降。因此，在当今航天 器飞行试验对海上测量精度要求越来越高的情况下， 寻找快捷、简便的坞内标校方法显得非常重要。 本文提出的新方法就是充分利用测量船短暂的 坞修时机，方便、快捷地进行坞内标校，达到保持和 提高测量船测量精度的目的。 1测量船测量精度下降原因 船载测量设备经过坞内标校和精度鉴定后，测 量精度达到最高。此后随着时间的推移和不断增加 的设超标。从数据处理模型分析，主要原因是无线电测 量

8、设备光轴漂移和惯性导航设备惯性元件的维护更 换引起的。 1.1光轴漂移 船载无线电测量设备安装有望远镜和标校电 视，它们是调整和标定参数的 媒介。 无线电测量设 备方位、俯仰轴系关系示意图如图 1所示。 图 1无 线 电 测 量 设 备 轴 系 图 收稿日期 :20090401 2009年 无 线 电 工 程 第 39卷第 7期 49 专题技术与工程应用 望远镜和标校电视在标校中的用途不同，望远镜 主要用于静态条件下标定编码器零位和望远镜的光 机偏差，并通过光光不平行度的标定解算标校电视光 机偏差，标校电视主要用于动态条件下的常规标定。 望远镜的优点是重量轻，光路简单、稳定，缺点是精度 低，且

9、不能在动态条件下对目标进行标定 ;标校电视 的优点是读数精度高，可对目标自动跟踪，缺点是质 量大，光路复杂。使用表明，标校电视光轴较易发生 变化，从而引起光机偏差和俯仰零位变化。对船载测 量设备来说，在动态条件下难以进行光轴恢复，这是 影响船载无线电测量设备精度的主要因素之一。 1.2惯性元器件的更换与维护 惯导设 备的惯性元件是加速度计和陀螺仪 ，一 旦更换，加速度计零位、加速度计标度、陀螺仪标度 就会发生改变，从而影响惯导输出精度。虽然在动 态条件下标定加速度计零位、水平陀螺仪标度也能 达到一定精度，但与静态条件下的标定精度相比仍 有一定差距，而加速度计标度、方位陀螺仪标度则必 须在静态条

10、件下标定。因此，惯性元件的更换会引 起惯导姿态角零位发生改变，从而引起姿态角测量 误差，这也是影响船载无线电测量设备测量精度的 主要因素。 为了消除上述影响测量设备精度的因素，采取 了一些措施，如利用测量船短暂的坞修时机重新标 定望远镜光轴与标校电视光轴之间的不平行度，并 对标校成果加以修正；利用标校经纬仪测恒星对惯 导姿态进行标定等，这些措施起到了一定的效果，但 不能从根本上消除误差，要消除这些误差必须重新 进行坐标取齐。由于传统坞内标校方法涉及面广不 能经常进行，因此需要探寻新的标校方法。 2基于标校经纬仪的坞内标校新方法 2.1标校经纬仪简介 每艘测量船上都安装有一套精密光学经纬仪， 用

11、于昼夜测星校正惯导航向、为测量设备提供距离 基准，以及建立全船方位标校基准等，通常称之为标 校经炜仪。标校经纬仪质量轻、测量精度高，轴系误 差小，且十分稳定。 2.2基于标校经纬仪的坞内标校新方法 传统坞内标校方法用大地测量手段测定方位标 在以设备三轴中心为坐标原点的地平系中的坐标， 作为方位坐标取齐基准，数据比对在地平系中进行； 新方法用标校经纬仪测定方位标与测量设备的相对 位置关系，作为方位坐标取齐基准，数据比对直接在 甲板系中进行。 2种方法水平取齐均以当地水平面 为基准。 2.2.1测定方位标与测量设备位置关系 (1) 测定方位标在测量设备测量坐标系中的极 坐标 设标校经炜仪测量第 /

12、个方位标经过零位误差、 轴系误差、竖轴差及大气折射误差等修正后的极坐标 为為、五 y/ 并 转 换 成 直 角 坐 标 为 、 、 Zj。 将 直 角 坐 标 、 ri7、 z； ,.转至测量设备测量系的 直角坐标转换公式为： 式中，为测量设备与惯导之间的变形欧拉角旋转 矩阵 ; 、 & 、 z#为测量设备三轴中心在标校经纬 仪测量系中的直角坐标。 将、 zd转 换 为 极 坐 标 毛 . 、 心 、 、 私 , 、及即为第 /个方位标在测量设备测量坐标系中 的极坐标。 (2) 计算望远镜光轴偏心于设备三轴中心的第 /个方位标的方位改正数又和俯仰改正数 Se/ 坞内标校用望远镜瞄方位标，望远镜

13、安装位置 与设备三轴中心不重合，因此需要计算望远镜光轴 相对于方位标的方位改正数又 / (方位视差）和俯仰 改正数U俯仰视差 )，并予以修正。计算公式为： 式中， A为望远镜光轴相对于三轴中心横向偏移量， 偏左为正 ;z为望远镜光轴相对于三轴中心纵向偏 移量，偏下为正。 2.2.2方位坐标取齐 求得了方位标与测量设备的相对位置后，就可 以进行方位坐标取齐 ,通过方位坐标 取齐重新建立 测量设备的方位基准。取齐项目包括无线电测量设 备方位零位标定、光机偏差标定 ;标校经炜仪测星定 航向；惯导航向零位标定。 (1) 无线电测量设备方位零位标定 用反向法标定方位零位。望远镜先正向测量某 一方位标，录

14、取方位角和俯仰角的测量值分别为 和五十 ,.； 然后，方位转动 180,俯仰转动 180- 2五十 ,、再测量同一方位标，录取方位角和俯仰角的 测量值分别为和五 -，可得： 50 2009 Radio Engineering Vol. 39 No. 7 专题技术与工程应用 则 式中， 4为第 /个方位标得到的方位零位；、烏 分别为大盘最大倾斜量和最大倾斜方位角；为最 终测得的方位零位； /为方位标序号， /= 1, 2, 3, ， ，为方位标总数。 (2) 无线电测量设备光机偏差标定 用反向法瞄方位标标定光机偏差 &为： 则 式中，知为第 /个方位标得到的光机偏差； I为望 远镜光轴偏心于设备

15、三轴中心的第 /个方位标的方 位改正数 ;&为最终测得的光机偏差。 (3) 标校经纬仪测星定航向 标校经纬仪测星定航向就是将恒星作为方位 标，利用精确的恒星位 置，确定艏艉线与正北方向的 夹角尤均(航向角 ） 为惯导提供方位基准。 (4) 惯导航向零位标定 启动惯导，统计惯导航向输出值 K输出，并以标 校经炜仪标定的航向角尤 4为基准，向方位基准镜 法线看齐，公式为 :尤 (3 =尤玛一尤输出。式中，尤 (3为标 定的惯导航向零位。 2.2.3水平坐标取齐 通过水平坐标取齐，重新建立测量设备统一的 水平基准。水平坐标取齐项目包括无线电测量设备 大盘不水平度标定、俯仰零位标定 ;标校经纬仪竖轴

16、差标定 ;变形零值标定 ;惯导水平电零位标定。 (1)无线电测量设备大盘不水平度（标校经纬 仪称竖轴差 )标定 船载测量设备的测量坐标系基本平面与惯导甲 板坐标系的基本平面存在一个大盘不水平度误差。 大盘不水平度与船体坐墩后的置平度有关，每次进 坞标定结果均不相同，必须在坞内进行标定。修正 大盘不水平需要获得大盘最大倾斜量卩 2和最大倾 斜方位角两个参数。通常采用合象水平仪在方 位转盘上进行标定。在方位每转15或 30测一点， 读得水平仪测量值 X, 和方位轴角编码器输出值 4。 测量一周后得到一组 X,.、為的对应数据，利用最小 二乘法拟合出 和 :石 =M + cos (4 ) 。 式中，

17、 M 为合 象水平仪的零值和放置水平仪的基准 面与大盘平面的不平行度。 (2) 无线电设备俯仰零位标定 俯仰零位用反向法标定，公式为： 式中，五 w为第 /个方位标得到的俯仰零位 ;5W为望远 镜光轴偏心于设备三轴中心的第 f个方位标的 俯仰改 正数 ;&为最终测得的方位零位 ;其余符号同前。 (3) 变形零值标定 变形测量是测量船的一个特点。测量船上安装 着多台套测量设备，由于船体变形的存在，各设备所 在位置的船体姿态与惯导所在位置的船体姿态存在 差别，变形设备就是用来测定这个差别的设备。变 形零值用统计的方法进行标定，必须在坞内进行。 在全船坐标系取齐的时段内，变形开机自检并保持 最佳工作

18、状态，录取统计变形输出值 I、尤 0 6 , 即为纵摇角零值、横摇角零值和艏摇角零值。 (4) 惯导水平电零位标定 惯导水平电零位与船体坐墩后的置平度有关， 必须在坞内进行标定。 惯导启动，正常校并保持最佳工作状态，录取统 计纵、横摇感应同步器输出值免、 0 ,即为纵摇角电 气零位和横摇角电气零位。 3 精度分析 新方法误差主要产生于方位标与设备相对位置 的测量、计算中，计算时需要用到标校经纬仪和变形 测量设备的测量数据。 3.1标校经纬仪测距误差影响 标校经炜仪测距误差主要影响 4,.，误差可表示 为： 式中，真 /为第 /个方位标与测量设备之间的距离真 值。 激光测距系统的误差一般在 1

19、m以内，由上式 可知，为了减小测距误差对标校精度的影响，应尽可 能地加大方位标与测量设备之间的距离，且方位标 应尽量偏离 4,.为 90或 270方向。 3.2测角误差 测角误差包括标校经纬仪测角误差和变形测量 2009年 无 线 电 工 程 第 39卷第 7期 51 专题技术与工程应用 、口 标校经纬仪测角误差中的方位零位误差、横轴 差、照准差、大气折射误差以及竖轴差等可以精确标 定并加以消除，而轴角编码误差、脱靶量测量误差和 经纬仪甲板变形误差则难以消除。 变形测量系统误差因素主要为单元误差和安装 误差。单元误差指分系统各部件的制造、装调和性 能变化而产生的各项误差。安装误差是指各系统上

20、船安装时所带来的误差，主要包括大钢管安装误差、 发射光管安装误差、接收光管安装误差、测扭光管安 装误差等。 经分析，标校经纬仪、变形测量引起的对方位标 测角总误差满足无线电测量设备零位和轴系误差标 校要求。 4 结束语 本文提出的标校新方法以标校经纬仪测量数据 作为基准，直接在甲板坐标系中进行数据比对，消除 了无线电测量设备光轴漂移引起的光机偏差和俯仰 零位的变化 ;通过坐标系取齐消除了惯导陀螺、加速 度计维护更换等引起的水平姿态电气零位和航向角 电气零位误差。新方法避免了复杂的大地测量，可 以利用测量船坞修等各种短暂的进坞时机进行标 定，使用灵活，是提高测量船测量精度的有效途径。 参考文献

21、1 江文达，陈道桂 .航天测量船 M.北京：国防工业出版 社，2002:334 367. 2 钟德安 .航天测量船测控通信设备标校与校飞技 术 M.北京：国防工业出版社， 2009. 3 钟德安 .航天测量船测量设备方位取齐误差分析 J.无 线电工程， 2008, 38(4): 37 39. 4 张同双 .航天测量船无线电测量设备方位零位标校新方 法 J 电讯技术 ,2008,48(6):30 34. 作者简介 钟德安男， （ 1964 ）， 中国卫星海上测控部高级工程师。主要 研宄方向：测量船标校技术。 (上接第 10页） PCB基材选用标准的 FR 4,线宽采用 6 mil 带状线，单端线

22、阻抗控制为 5 a阻抗控制为 95 a 同时控制差分线长度 （ 包括交换单元、业务单元、背 板及背板连接器的总长度 )不超过 35 inchs; 差分线对在同一层中完成，并使用最少过 ?L，接收和发送差分对安排在不同层布线，差分线对 不匹配长度不超过 40 mil; 通过去除不用层上的焊盘来提高过孔的阻 抗特性； 选用专用高速背板连接器，满足可控阻抗 要求。 2.4.3硬件测试 通过对示波器上眼图的分析，可以得到码间串 扰和噪声对系统传输性能的影响不大。利用 2块业 务单元的 POS接口，通过 Spirent测试仪进行测试。 测试仪通过 POS接口与业务单元连接，产生测试 包，经交换单元后转发

23、给另一块业务单元，比较收发 数据可以看到，测试仪收发数据包相等，无丢失或错 误包。 3 结束语 本文实现的交换单元现己应用到宽带路由交换 机中并通过测试。基于 ATCA规范的多平面 Clos交 换结构具有以下几个优点： 每条连接均为直接的点到点数据路径，采用 LVDS(低压差分信号 )来实现更高的数据速率，具有 良好的电特性，不仅比总线体系结构具有更高的频 率和带宽，而且免除了并行总线结构的多条连接，减 少信号线，使得连接器尺寸也减小； 多平面的多级交换结构互连还能动态提高 系统可靠性，这是因为它能使关键数据绕过有缺陷 的路径； 多级交换使设计师能随着要求的改变轻松 地调整互连，可把新的交换元

24、件与新的 I/O元件一 同安装，这样系统就能在自身发展时保持互连灵活 性，提高扩展能力。 + 参考文献 1 PICMG 3.0 R1.0 AdvancedTCAf S , 2002. 21陈育树，戎蒙恬 .宽带交换机交换结构的研宄和探讨 1J 信息技术， 2006 (2): 68 72. 3 童进 .数据产品中各类交换结构的实现 J.电子产品 世界， 2004 (6): 62 65. 4 严敬，邱智亮 .大容量路由器交换网络结构的研宄 1J.电子科技， 2004(12): 3 6. 5 智勇 .高端路由器内部交换结构浅析 tJ.江苏通信技 术， 2003, 19(1): 34 36. 6 刘亚社，刘増基 .CL0S型大规模 ATM交换网络结构 J. 无线电通信技术， 1997,23(6):48 53. 作者简介 李鑫男 ， （ 1977 ）， 中国电子科技集团公司第五十四研宄 所工程师。主要研宄方向：通信系统网络硬件设计。 52 2009 Radio Engineering Vol. 39 No. 7