CN102829786B - 一种提高航迹仪精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高航迹仪精度的方法，包括如下步骤：步骤1、将需要使用的纸质海图按规定铺放于航迹仪上；步骤2、将海图基本信息输入航迹仪中；步骤3、航迹仪利用海图标绘数学模型计算出校准点与零位之间的位置增量（，）；步骤4、采用理论误差补偿参数（，）将位置增量转换为步进电机脉冲数进行推位；步骤5、手动控制航迹仪绘图笔移动，使航迹仪标绘光标移至与校准点重合；步骤6、通过校准处理得到与当前海图相匹配的实际误差补偿参数（，）；步骤7、完成校准操作。本发明能够有效减小航迹仪的标绘误差，提高航迹仪的标绘精度。

Description

一种提高航迹仪精度的方法

技术领域

本发明涉及航迹仪，尤其涉及提高航迹仪精度的方法。

背景技术

航迹仪是舰船实时标绘海图、自动完成海图作业的导航设备。航迹仪的使用，大大提高了海图标绘作业精度和自动化程度，降低了舰船控制人员的劳作强度，增强舰船航海作业信息化水平。

在航迹仪研制过程中，通过提高各个传动零件的精度，以及采用合理的海图标绘解算数学模型，航迹仪绘图精度有了长足的进步，其标绘精度可达到常用海图全图幅(980mm)的约0.2％，即2mm。标绘精度是航海人员非常重视的一个技术指标，直接关系到航海的安全和武器的发射命中率。

随着现代技术的发展，现代舰船对航迹仪的精度要求越来越高，动态标绘精度要求达到小于常用海图全图幅的0.1％，即1mm。传统航迹仪采用固定标绘参数，通过提高传动零件的精度，其标绘精度对一小部分海图而言，可以达到要求；但对绝大多数海图来说，无法达到此标准。

通过文献检索，在数据库中发现几篇与本发明申请相关的报道，例如：

1、船用航迹仪；2、航迹仪误差分析和控制；3、智能化航迹仪步进电机控制技术的研究；4、高精度船用航迹绘图仪传动系统的研究；5、新型智能化航迹仪；6、船用某型航迹仪结构的改进设计；7、高速、智能化航迹仪的设计方案；8、基于ARM及FPGA的职能化航海作业标绘台的设计；9、船用航迹绘图仪机械系统的研究。经过分析发现，其中第1、5、8篇是对航迹仪的相关介绍；其余几篇则是通过对航迹仪本身传动结构以及标绘算法分析、改进，从而提高航迹仪标绘精度，然而他们都是脱离实际海图使用的。

通过对实际海图的研究发现，造成航迹仪标绘产生误差的一大重要因素为：海图拉伸形变；每一张海图都有不同程度的形变状态，为了使航迹仪标绘精度对每张海图都能达到要求，必须对不同的海图使用其相匹配的误差补偿参数，这种方法我们称之为动态误差补偿技术。然而现有技术中，对此种情况引起的误差还不能有效的进行降低，从而使得航迹仪定位精度不高，不能满足人们的需求。

因而，如何提供一种精度高的航迹仪或者如何提高航迹仪的方法是本领域技术人员研究的方向。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种提高航迹仪精度的方法，能够有效减小航迹仪的标绘误差，提高航迹仪的标绘精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种提高航迹仪精度的方法，包括如下步骤：

步骤1、将需要使用的纸质海图按规定铺放于航迹仪上；

步骤2、将海图基本信息输入航迹仪中；所述海图基本信息包括：海图图号、基准纬度φ_z、比例尺分母Mz、海图零位(φ₀，λ₀)；

步骤3、选取当前海图中任意一点作为校准点，并将其纬度、经度信息(φ_t，λ_t)输入航迹仪中；航迹仪利用海图标绘数学模型计算出校准点与零位之间的位置增量(Δx，Δy)；

步骤4、采用理论误差补偿参数(Mhx₀，Mhy₀)将位置增量转换为步进电机脉冲数进行推位，使航迹仪标绘光标移动至校准点或校准点附近；

步骤5、当步骤4中航迹仪标绘光标不能移动至校准点时，手动控制航迹仪绘图笔移动，使航迹仪标绘光标移至与校准点重合；在此过程中航迹仪自动记录X、Y方向的移笔脉冲信息(mm，nn)；

步骤6、通过校准处理得到与当前海图相匹配的实际误差补偿参数(Mhx，Mhy)；

步骤7、完成校准操作，并将实际误差补偿参数对应于海图信息进行记录、保存，在后续实际跟踪标绘过程中优先使用此参数。

进一步地，步骤3中所述海图标绘数学模型为：舰船从A点(φ₁，λ₁)航行一段距离后到达B点(φ₂，λ₂)时，舰船的位置增量(Δφ，Δλ)换算成海图上的位置增量(Δx，Δy)的计算过程为：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{Mc}\frac{a\cos {\mathrm{\φ}}_m}{\cos {\mathrm{\φ}}_z}\mathrm{\Δ\λ};$

$\mathrm{\Δy}=\mathrm{Mc}\frac{a(1-e^2)}{(1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_2)\cos {\mathrm{\φ}}_2}\mathrm{\Δ\φ};$

式中e—地球椭球体偏心率，e²＝0.006693421623；

a—地球椭球体半长轴，a＝637824500cm；

φ_z—基准纬度；

φ_m—平均纬度，φ_m＝(φ₁+φ₂)/2；

Mc—赤道比例尺，Mc＝cosφ₂/[Mz(1-e²sin²φ_z)^1/2]；

Mz—海图比例尺分母。

通过该过程能够更快更精确地将舰船实际的位置增量换算成海图上的位置增量，从而提高海图标绘精度。

进一步地，步骤6中所述校准处理为：

$\mathrm{Mhx}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\frac{\mathrm{\Δx}}{{\mathrm{Mhx}}_0}+\mathrm{mm}};$

$\mathrm{Mhy}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\frac{\mathrm{\Δy}}{{\mathrm{Mhy}}_0}+\mathrm{nn}}.$

通过该过程能够准确地计算出误差补偿参数，以记录在航迹仪中，在后续的标绘过程中可以优先使用，使标绘速度更快，精准度更高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)能有效提高航迹仪的精度，针对海图形变引起的标绘误差具有的离散性与随机性，本发明采用对使用的海图匹配一相应的误差补偿参数进行动态误差补偿，使得航迹仪对每张海图的标绘精度均能达到要求。

(2)本发明只需通过设计标绘软件就可得到实现，不需要对传统航迹仪结构方法作出修改，在保证产品成本的基础上，提高航迹仪标绘精度，提高了产品可靠性。

(3)本发明涉及的操作简单、方便，不会给使用者增加更多的工作负担。

附图说明

图1为本发明的校准过程流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1，一种提高航迹仪精度的方法，包括如下步骤：

步骤1、将需要使用的海图按规定铺放于航迹仪上，并使海图上选定的零位与航迹仪零位光点重合，海图的X、Y轴分别与航迹仪的X、Y轴对齐；

步骤2、将海图基本信息输入航迹仪中，海图基本信息通过查看海图即可得知。所述海图基本信息包括：海图图号、基准纬度φ_z、比例尺分母Mz、海图零位(φ₀，λ₀)。

步骤3、选取当前海图中任意一点作为校准点(优先选取与海图零位距离较远的点)，并将其纬度、经度信息(φ_t，λ_t)输入航迹仪中；实际航行过程中，舰船的实际位置的纬度和经度信息由GPS定位系统获取。航迹仪利用海图标绘数学模型计算出校准点与零位之间的位置增量(Δx，Δy)。

所述海图标绘数学模型为：舰船从A点(φ₁，λ₂)航行一段距离后到达B点(φ₂，λ₂)时，舰船的位置增量(Δφ，Δλ)换算成海图上的位置增量(Δx，Δy)的计算过程为：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{Mc}\frac{a\cos {\mathrm{\φ}}_m}{\cos {\mathrm{\φ}}_z}\mathrm{\Δ\λ};$

$\mathrm{\Δy}=\mathrm{Mc}\frac{a(1-e^2)}{(1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_2)\cos {\mathrm{\φ}}_2}\mathrm{\Δ\φ};$

式中e—地球椭球体偏心率，e²＝0.006693421623；

a—地球椭球体半长轴，a＝637824500cm；

φ_z—基准纬度；

φ_m—平均纬度，φ_m＝(φ₁+φ₂)/2；

Mc—赤道比例尺，Mc＝cosφ₂/[Mz(1-e²sin²φ_z)^1/2]；

Mz—比例尺分母。

从而得到校准点与零位之间的位置增量(Δx，Δy)：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{Mc}\frac{a\cos {\mathrm{\φ}}_m}{\cos {\mathrm{\φ}}_z}\mathrm{\Δ\λ};$

$\mathrm{\Δy}=\mathrm{Mc}\frac{a(1-e^2)}{(1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_2)\cos {\mathrm{\φ}}_2}\mathrm{\Δ\φ};$

式中：

φ_m—平均纬度，φ_m＝(φ₀+φ_t)/2；

Mc—赤道比例尺，Mc＝cosφ_t/[Mz(1-e²sin²φ_z)^1/2]。

步骤4、采用理论误差补偿参数即航迹仪初始化误差补偿参数(Mhx₀，Mhy₀)将位置增量(Δx，Δy)转换为步进电机脉冲数(dx₀，dy₀)进行推位，航迹仪将光标移动至校准点或校准点附近(即校准点周边的区域)—即移动至理论校准点。其中，将位置增量(Δx，Δy)转换为步进电机脉冲数(dx₀，dy₀)的转换过程为：

dx₀＝Δx/Mhx₀；

dy₀＝Δy/Mhy₀。

步骤5、由于海图通常存在拉伸等形变，因而通过理论误差补偿参数(Mhx₀，Mhy₀)将位置增量转换为步进电机脉冲数(dx₀，dy₀)进行推位，通常不会直接将航迹仪光标移动至校准点；当步骤4中航迹仪标绘光标不能移动至校准点时，手动控制航迹仪绘图笔移动，使航迹仪标绘光标移至与校准点重合，在此过程中航迹仪自动记录X、Y方向的移笔脉冲信息(mm，nn)。所述移笔脉冲信息(mm，nn)为从理论校准点移动至校准点(实际)的脉冲信息，其相对于光标从零位移动到理论校准点具有方向性，即光标从理论校准点移动至校准点(实际)的方向与光标从零位移动到理论校准点的方向一致，则为正方向；相反，则为负方向。因而，移笔脉冲信息(mm，nn)可能为正值(光标从理论校准点移动至校准点(实际)的方向与光标从零位移动到理论校准点的方向一致)，也可能为负值(光标从理论校准点移动至校准点(实际)的方向与光标从零位移动到理论校准点的方向相反)。

步骤6、通过校准处理得到与当前海图相匹配的实际误差补偿参数(Mhx，Mhy)：

由于航迹仪基本绘图过程中步进电机沿X轴移动脉冲数为：

dx＝Δx/Mhx

式中：Lx—x方向绘图长度；

dx—x方向步进电机脉冲个数。

而航迹仪光标从零位到校准点的实际移动长度为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\Δx}}{{\mathrm{Mhx}}_0}\×\mathrm{Mhx}+\mathrm{mm}\×\mathrm{Mhx}.$

从而得到x方向实际误差补偿参数：

$\mathrm{Mhx}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\frac{\mathrm{\Δx}}{{\mathrm{Mhx}}_0}+\mathrm{mm}};$

同理得到：

$\mathrm{Mhy}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\frac{\mathrm{\Δy}}{{\mathrm{Mhy}}_0}+\mathrm{nn}}.$

步骤7、完成校准操作，并将实际误差补偿参数对应于海图信息进行记录、保存，在后续实际跟踪标绘过程中优先使用此参数。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种提高航迹仪精度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、将需要使用的纸质海图按规定铺放于航迹仪上；

步骤2、将海图基本信息输入航迹仪中；所述海图基本信息包括海图图号、基准纬度φ_z、比例尺分母Mz和海图零位(φ₀，λ₀)；

步骤3、选取当前海图中任意一点作为校准点，并将其纬度、经度信息(φ_t，λ_t)输入航迹仪中；航迹仪利用海图标绘数学模型计算出校准点与零位之间的位置增量(△x，△y)；

步骤4、采用理论误差补偿参数(Mhx₀，Mhy₀)将位置增量转换为步进电机脉冲数进行推位，使航迹仪标绘光标移动至校准点或校准点附近；

步骤5、当步骤4中航迹仪标绘光标不能移动至校准点时，手动控制航迹仪绘图笔移动，使航迹仪标绘光标移至与校准点重合；在此过程中航迹仪自动记录X、Y方向的移笔脉冲信息(mm，nn)；

步骤6、通过校准处理得到与当前海图相匹配的实际误差补偿参数(Mhx，Mhy)；所述校准处理为：

$\mathrm{Mhx}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\frac{\mathrm{\Δx}}{{\mathrm{Mhx}}_0}+\mathrm{mm}};$

$\mathrm{Mhy}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\frac{\mathrm{\Δy}}{{\mathrm{Mhy}}_0}+\mathrm{nn}};$

步骤7、完成校准操作，并将实际误差补偿参数对应于海图信息进行记录、保存，在后续实际跟踪标绘过程中优先使用此参数。

2.根据权利要求1所述的一种提高航迹仪精度的方法，其特征在于：步骤3中所述海图标绘数学模型为：舰船从A点(φ₁，λ₁)航行一段距离后到达B点(φ₂，λ₂)时，舰船的位置增量(△φ，△λ)换算成海图上的位置增量(△x，△y)的计算过程为：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{Mc}\frac{a\cos {\mathrm{\φ}}_m}{{\cos \mathrm{\φ}}_z}\mathrm{\Δ\λ};$

$\mathrm{\Δy}=\mathrm{Mc}\frac{a(1-e^2)}{(1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_2)\cos {\mathrm{\φ}}_2}\mathrm{\Δ\φ};$

式中e—地球椭球体偏心率，e²＝0.006693421623；

a—地球椭球体半长轴，a＝637824500cm；

φ_z—基准纬度；

φ_m—平均纬度，φ_m＝(φ₁+φ₂)/2；

Mc—赤道比例尺，Mc＝cosφ₂/[Mz(1-e²sin²φ_z)^1/2]；

Mz—海图比例尺分母。