航天测量船坞内标校基准计算的新方法_刘新江.docx

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1、 第 32卷第 1期 2012年 1月 海洋测绘 HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING Vol. 32, No. 1 Jan. ，2012 DOI: 10. 3969/j. issn. 1671-3044. 2012.01.006 航天测量船坞内标校基准计算的新方法 刘新江，陈勤勤 (61365 部队，天津 300140) 摘要： GPS测量直接获得点位的精确三维坐标，通过空间直角坐标系、大地坐标系、站心地平直角坐标系、站心 极坐标系等一系列转换，再加入大气折光差改正和垂线偏差改正，就可以快速获得设备标校所需的精确基准。与 采用常规测量方法、分别计算设备标校基

2、准相比，不仅大大减少了工作量，还提高了计算结果的精度。 关键词： GPS测量；坞内标校 ;站心坐标系；大气折光差 ;垂线偏差；惯导甲板坐标系 中图分类号： P228.4文献标识码 ： B 文章编号： 1671-3044 (2012)01001804 1引言 “ 远望号 ” 航天测量船队是我国航天测控网的 重要组成部分 1。测控设备（以下简称设备）在装 船以后、执行任务以前必须进行标校，包括坞内标 校、码头标校和海上标校。玛内标校是后两项标校 的基础，后两项标校是在动态条件下对坞内标校成 果的复检。所谓坞内标校是指在航天测量船进坞坐 墩条件下，为确定各设备的误差模型参数和坐标系 取齐而组织的船坞

3、、测量船、船上设备、标校设施和 大地测量的协同工作实施过程。大地测量一般在船 进坞坐墩 48h后进行，通过测量船坞周围的大地测 量控制点、方位标、标校塔和船上设备，确定出各设 备三轴中心（方位旋转轴、俯仰旋转轴和视准轴的 交点）的坐标及与各方位标之间的位置关系 （ 斜距、 俯仰角、方位角，统称为大地基准） 2。 自 1979年 “ 远望 ” 一号、二号测量船进行第一 次坞内标校至今，大地测量技术有了很大进步，坞内 标校基准测量方法不断改进，最初完全依靠常规测 量手段，现在则更多的采用 GPS测量方法。常规测 量主要通过测角、测距来获取未知点坐标及相关数 据，内业计算时水平方向和高程方向分开进行

4、，为了 减少精度损失，要尽可能的利用外业实测数据，加改 正值归算到用户指定位置来计算设备标校基准，本 文称这种方法为归算法。 GPS测量可以直接获得点 位的精确空间直角坐标，基于此，本文提出将点位 坐 标从空间直角坐标系转换到大地坐标系、站心地平 直角坐标系、站心极坐标系，再将大气折光差、垂线 偏差等相关因素考虑在内，统一计算设备标校基准 的方法，本文称之为反算法。 2坞内标校大地测量常规方法的施测 坞内标校大地测量主要包括两部分工作，一是 建立大地控制网，获取岸边控制点的坐标及相互间 的大地方位角，作为进一步测量的起算数据；二是在 岸边控制点上对测量船上的设备、岸边的方位标、标 校塔进行测量

5、，获取设备标校所需的大地基准 数据 3_4。 2.1大地控制网的建立 如图 1所示，在距离船坞 100 200m处，设置 3 4个控制点，其中一个作为主控点，其余均为副控 点。主控点应尽可能与船上所有设备都通视。采用 三角、导线、水准等方法，将所有控制点与附近的高 等级大地控制点联测，建立大地控制网。 图 1坞内标校大地测量点位关系示意图 2. 2设备标校测量 为校准而设置的方位标应以测量船为中心，尽 可能在其周围均匀分布，与测量船的距离要有远有 收稿日期： 20110608;修 M 日期： 20110802 作者简介：刘新江 （ 1978-),男，河北冀州人，工程师，硕士，主要从事大地测量数

6、据处理 研究。 第 1 期 刘新江，等航天测量船坞内标校基准计算的新方法 19 近，垂直角有大有小，以供不同设备使用。首先在控 制点上设站，分别观测至设备、方位标、标校塔的水 平角、距离、垂直角，然后在设备点（或其旁边）设 站，观测至相关方位标的距离、垂直角。 3标校基准计算的新方法 - 反算法 直接在设备点和方位标点上进行 GPS测量，便 可获得该点的精确空间直角坐标。如果点位上无法 架设天线，通过 GPS归心测量，也可得到精度较高 的设备点、方位标点的空间直角坐标 5。将方位标 点空间直角坐标转换为以设备三轴中心为原点的站 心直角坐标，进一步转换为站心极坐标，再加入大气 折光差改正和垂线偏

7、差改正，即可获得设备点至方 位标点的斜距、俯仰角、方位角。在与惯导甲板坐标 系取齐时，采用同样 的方法，将设备点空间直角坐标 转换到以惯导三轴交点为原点的站心坐标系中，再 通过旋转变换加入垂线偏差的影响。 3. 1坐标系统变换 设 5为设备三轴中心， f为方位标十字中心，则 两 点 的 空 间 直 角 坐 标 差 为 。 通过公式 （ 1 )，可以得到 f点在 B点站心直角坐标 系中的三维直角坐标 6: 何关系确定，没有考虑大气折光的影响。为了得出 适用于俯仰角计算的公式，借助三角高程计算公式， 作如下推导： 在三角高程测量中，用斜距计算单向观测高差 的公式为 7: (3) 式中， /12为两

8、点间高差 j为两点间斜距 ; 12为观测 所得垂直角；卩为仪器高 ;a2为觇标高； C为球气差 系数 ;其值为 C =( 1 -幻 d尺为大气垂直折光系 数 j为地球平均曲率半径。 在站心极坐标系中，两点间高差中己经消除了 球差的影响，也不存在仪器高、觇标高的问题，只考 虑大气折光差的影响，令 c = -AV2： S，假设俯仰角为 ELbf， M 可以解出： 测控设备与方位标之间的距离最远不过几千 米，因此， 1/2； 远远小于 -1， 而 -1矣 sin 矣 1， 所以，解只能是： 式中， 由站心直角坐标系向站心极坐标系的转换，通 过公式 （ 2)进行。以 P。 点为中心的站心极坐标系 定义

9、如下 :平面为基准面；极点位于 P。； 极轴 为 W轴；一点 S在站心极坐标系下的坐标用极距 （ R 为由极点到 S点的距离）、方位角 04为在基准面上， 以极点为顶点，由极轴顺时针方向量测到在基 准面上投影的角度）、高度角（五 i为极点与 S点连 线与基准面的夹角）表示 6: 3.2大气折光差改正 在站心极坐标系中，高度角完全由两点间的几 3.3垂线偏差改正 垂线偏差可以通过天文大地测量方法或 GPS 水准测量方法获得 s，其对方位角和俯仰角均会带 来影响 9，对方位角的影响为： (5) 对俯仰角的影响 为： (6) 式中， f、 i7分别为垂线偏差的子午分量和卯酉分量。 3.4坐标系取齐

10、船上设备标校不同于地面设备标校，地面上设 备的参考系为以三轴中心为原点的真地平坐标系， 船上设备的参考系为以惯导三轴交点为原点的惯导 甲板坐标系。惯导甲板坐标系 X轴在甲板平面内 与船的艏艉线平行，指向船艏， F轴垂直甲板平面向 上， Z轴由右手定则确定。船在坞内标校坐墩条件 下，甲板平面与惯导地平坐标系的水平面重合。 采用前述坐标系统变换方法，同样可以获得设 备点、方位标点在以惯导三轴交点为中心的站心直 角坐标系坐标。在转换到惯导甲板坐标系时，只需 加入船身方位和垂线偏差的影响，公式为： 20 海洋测绘 第 32卷 (7) 式中， 式中， 4为测量船艏艉线大地方位角； w、 t/、 为设备

11、点、方位标点在以惯导三轴交点为中心的站心地平 直角坐标系中的坐标 j、 7?分别为垂线偏差的子午 分量和卯酉分量 ;为天文炜度。 码头标校和海上标校时，船浮在水面上，由于船 的摇摆，甲板平面与惯导地平坐标系的水平面不再 重合，两个坐标系相差一个船摇。船摇由三个量来 描述：纵摇角，表示船纵向摇摆，艏高为正；横摇 角 0,，表示船左右摇摆，左高为正；艏摇角 &，也称 航向角，船的艏艉线与真北的夹角，自真北起算，顺 时针为正。测量船在海上航疔时这些量均由船上的 惯导设备测量 给出。 由于船上设备随同惯导设备一起运动，其在惯 导甲板坐标系和惯导地平坐标系中的坐标相同。将 船摇的三个量视作坐标系变换中的

12、三个欧勒角，岸 上方位标点由惯导甲板坐标系转换到惯导地平坐标 系的公式为 &11: 仍旧采用前述 3. 1 3. 3节的方法，即可快速计 算出动态标校基准。 4反算法与归算法的比较 经过多个实例检验，反算法的计算结果与归算 法的计算结果符合较好，证明其准确可靠。但不管 是工作量，还是计算精度，反算法都表现出了较强的 优势。 4.1工作量比较 两种方法所投入工作量的多少，主要体现在外 业测量、内业数据处理以及计算成果在以后标校工 作中的使用等方面，见表 1。 表 1分别采用归算法和反算法进行标校基准测量时工作量的比较 4.2精度比较 归算法中，使用电磁波测距仪测量设备点至方 位标点的距离，按照仪

13、器的标称精度，加乘常数取 1 mm+1 ppm，设备点至方位标点相距 3 000m时，斜 距中误差约为 4mm。按照三等观测纲要施测水平 角和垂直角，经多组实例数据统计，两点相距 3000m 左右时，相对点位平面中误差在 lcm以上。方位标 点相对于控制点或设备点的高差多通过单向三角高 程施测，难以统计其实际精度水平。但是，由于大气 垂直折光较水平折光对角度观测的影响大得多，一 般来讲，点位高程中误差要大于平面中误差。不考 虑起算数据的误差因素，方位角的 中误差不会低于 . 7，俯仰角的中误差要大于 0. 7。 反算法中， GPS测量一般按照 C级观测要求施 测，规范中规定的精度指标为 :相邻

14、点间平均距离为 20km， 基线分量中误差水平分量限差为 10mm， 垂直 分量限差为 20mm， 相对精度不低于 lxl0_612。假 设限差为 2倍中误差，以设备点至方位标点之间相 距3 000m来计算，方位角的精度约为 0. 35，俯仰角 的精度约为 0.7，斜距的精度约为 1.5mm。 由于基 线较短，实际达到的精度水平更高。 GPS相对定位 测量不仅获得的点位坐标精度高于常规测量方法， 项目 归算法 反算法 外业测量 获得控制点坐标后，分别测量控制点至设备点、方位标点的水平 角、距离、垂直角以及设备点至相关方位标点的距离、垂直角。 只需在设备点和方位标点上进行 GPS 测量。 数据处

15、理 平差得到设备站址坐标，分别计算斜距、方位角、俯仰角。当有归 心改正时，必须将观测值归算为斜距、方位角、俯仰角的相应改 正值。 直接得到设备站址坐标，统一计算斜距、 方位角、俯仰角。当有归心改正时，只需 将观测值归算为相应点的坐标改正值。 成果使用 计算成果只供本次标校工作使用。 再次标校时，只需对设备点坐标进行重新 测量，方位标点坐标仍可使用。 第 1期 刘新江，等航天测量船坞内标校基准计算的新方法 21 而且通过与 IGS站联测，还能与全球分布的其他测 控设备站址坐标达到统一的精度指标，这对于常规 测量方法是根本无法实现的。 5结束语 本文基于 GPS测量方法，提出了一种航天测量船 坞内

16、标校基准计算的新方法。 GPS测量获得点位的精 确三维坐标后，通过空间直角坐标系、大地坐标系、站 心地平直角坐标系、站心极坐标系等一系列转换，再加 入大气折光差改正和垂线偏差改正，就可以快速获得 设备标校所需的精确大地基准。经实例检验，准确 可靠。 与采用常规测量方法、分别计算设备标校基准 相比，不仅大大减少了工作量，还提高了计算结果的 精度水平。只需进一步做相应的旋转变换，即可与 惯导甲板坐标系取齐，便于码头标校和海上标校时 对坞内标校基准数据的使用。本方法不仅适用于航 天测量船坞内标校测量，也适用于陆地上航天测控 站设备标校测量。 参考文献： 1 郝岩 . 航 天 测 控 网 M.北京：国

17、防工业出版社 , 2004.2041. 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， 2009.3-5. K 中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委 员会 .靶场大地测量 M.北京：国防工业出版社， 2004.21831. 4王俊勤，申慧群 .航天靶场大地工程测量 M.北京： 解放军出版社， 2007. 265469. C5刘新江，陈勤勤 .GPS测量中偏心距较大时的归心改 正计算方法 0.海洋测绘 ,2011,31 (1):1246. 6 李征航，黄劲松 .GPS测量与数据处理 M.武汉：武 汉大学出版社 ,2005. 159467. 7 施一民 .现

18、代大地控制测量 M.第 2版 .北京：测绘 出版社， 2008.269475. 8 徐益群，陈日高，暴景阳，等 .用 GPS水准法测定单点 垂线偏差 D.海洋测绘， 2004,24 (6) =942. M 朱华统，黄继文 .椭球大地测量 M.北京：八一出版 |, 1993. 61-69,169477. 10党亚民，成英燕，薛树强 .大地坐标系统及其应用 M.北京 :测绘出版社， 2010. 140447. 11 朱雷鸣，吴晓平，李建伟，等 .直角坐标系的欧拉旋 转变 换 及 动 力 学 方 程 J.海洋测绘， 2010, 30 (3) :202, 12 GB /T 18314-2009.全球定

19、位系统 （ GPS) 测量规范 S.北京：中国标准出版社， 2009. 2-3. A New Calculating Calibration Datum Method for Equipment on Tracking Ship in Dry Dock LIU Xinjiang, CHEN Qinqin (61365 Troops， Tianjin 300140, China) Abstract:GPS survey presents precise three-dimensional coordinates directly. Through coordinate transformatio

20、ns between space rectangular coordinate system geodetic coordinate system, topocentric terrestrial rectangular coordinate system， and topocentric polar coordinate system， calibration datum can be calculated in addition to astronomic refraction error correction and vertical deflection correction. It is not only simpler but also more precise than the old method， and more convenient for dynamic calibration. Key words: GPS survey ; equipment calibration in dry dock; topocentric coordinate system ; astronomic refraction error; vertical deflection; ship inertial navigation coordinate system