CN114353831A - 一种船载usb测角误差修正模型及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船载USB测角误差修正模型及其实现方法，具体公开了一种新的船载S频段统一测控系统(简称“USB”)测角误差修正模型，旨在提供一种低成本高精度的海上USB设备误差标定方法。与现有USB轴系参数模型相比，新模型考虑了在动态条件下USB天线本身的变化对测角的影响，提高了USB测角误差修正精度及可靠性；模型建立标定在动态或静态情况都可开展，降低了模型建立外界客观条件的限制；利用卫星星历和船的位置信息获取理论方位俯仰角度，无需其它设备辅助跟踪即可建立USB测角误差修正模型，实用价值高。

Description

一种船载USB测角误差修正模型及其实现方法

技术领域

本发明属于航天测控技术领域，涉及一种船载USB测角误差修正模型及其实现方法。

背景技术

USB统一测控系统是测量船重要的测控设备，其测角精度及稳定性将直接影响最终的卫星测控精度，是衡量测量船测控服务能力的重要指标。理想的情况下USB天线实际指向和理论的机械指向是一致的，但是由于外界环境、信号参数、天线变形等因素的影响，通常情况下USB天线实际指向和理论的机械指向有一定的差异。特别是测量船在动态条件下开展角度测量，受外界环境、天线变形等因素的影响更加显著。

为了实现USB系统海上高精度的角度测量，船载测控系统每次在进行海上测控之前需要通对设备进行标校。目前，USB测角误差修正模型主要采用7参数或9参数轴系参数模型，即：一种是通过跟踪过境卫星的方式直接得到7个电轴修正参数；另一种方法是先以经纬仪为基准，通过同步测恒星法得到USB天线标校电视光轴修正参数，然后再以光轴为基准，通过放球的方式进行光电偏差的标定，得到电轴的参数。

通过大量历史数据的分析发现，简单的轴系参数模型不能很好体现USB系统在不同方位、俯仰上的测角误差变化情况，导致实际误差修正的效果并不理想。因此，针对当前轴系参数模型的不完整，有必要给出一种能够考虑USB系统在不同方位、俯仰上的测角误差变化情况的误差修正模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供了一种基于北斗系统的船载USB测角误差修正模型及其修正方法，通过抑制海上复杂条件下USB测角误差变化的影响，提高USB测角精度与可靠性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种船载USB测角误差修正模型的实现方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据计划提前安排跟踪时间段和船舶所在位置；

步骤2：获目标卫星星历数据；

步骤3：开展目标卫星可见性预报，并判断该时间段是否满足USB分段线性格网模型参数估计观测条件；如果满足最优观测条件，可在预定时间段和海域开展USB轴系参数标校；

步骤4：利用目标星历数据和测量船船位信息生成USB系统引导数据；

步骤5：根据引导数据引导USB设备跟踪目标卫星；

步骤6：根据新的船载USB测角误差修正模型，结合步骤5中记录的相关数据，获得USB测角误差修正模型参数；

步骤7：跟踪其他卫星或在其他时间段跟踪该卫星对USB测角误差修正模型进行测试验证。

优选地，步骤5中在跟踪过程中实时记录USB跟踪角度测量数据、船舶姿态数据、船舶位置数据、船体变形数据和气象数据。

优选地，所述步骤6中的修正模型具体为一种基于分段线性函数的格网模型，假设模型F(A,E)由不同的网格点构成，每个格网均由4个待求误差点组成落入该格网内的F(A,E)值可通过以方位角和俯仰角为自变量的分段线性函数模型F(A,E)表示为

式中F(A_i,E_j)、F(A_i,E_j+1)、F(A_i+1,E_j)、F(A_i+1,E_j+1)分别为对应的四个格的格网模型值，F(A,E)为方位角A、俯仰角E处对应的模型改正值，E_j和E_j+1为俯仰角E最近两个格网处的俯仰角，A_i和A_i+1为方位角A最近两个格网点处的方位角。

优选地，所述步骤6具体包括以下流程：

a.残差分块：将所有天的俯仰角残差按照方位角和俯仰角等间隔地划分为残差小块；

b.统计求取F(A,E)模型格网点的值，将方位角A和俯仰角E处周围小块内的所有残差值取平均，即获得F(A,E)模型格网点的值：

式中，res(A,E)表示在方位角A和俯仰角E处理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值，d_A和d_E分别表示方位角A和俯仰角E方向的格网尺度，N表示在

区域内理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值数据的总个数；

c.迭代：考虑到在处理过程中F(A,E)会被受偶然误差的影响，进行多次迭代来不断修正F(A,E)模型，直到F(A,E)各网点模型系数不再有明显的变化停止迭代。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种新的船载USB测角误差修正模型，新模型考虑了在动态条件下USB天线本身的变化对测角的影响，提高了USB测角误差修正精度及可靠性；模型建立标定在动态或静态情况都可开展，降低了模型建立外界客观条件的限制；利用卫星星历和船的位置信息获取理论方位俯仰角度，无需其它设备辅助跟踪即可建立USB测角误差修正模型，实用价值高。

附图说明

图1船载USB测角误差修正模型网格点线性插值示意图。

图2船载USB测角误差修正模型网格点系数获取示意图。

图3一种新的船载USB测角误差修正模型估计流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种新的船载USB测角误差修正模型，该模型为基于分段线性函数的格网模型，假设模型F(A,E)由不同的网格点构成，每个格网均由4个待求误差点组成，如附图1所示，落入该格网内的F(A,E)值可通过以方位角和俯仰角为自变量的分段线性函数模型F(A,E)可表示为

式中F(A_i,E_j)、F(A_i,E_j+1)、F(A_i+1,E_j)、F(A_i+1,E_j+1)分别为对应的四个格的格网模型值，F(A,E)为方位角A、俯仰角E处对应的模型改正值，E_j和E_j+1为俯仰角E最近两个格网处的俯仰角，A_i和A_i+1为方位角A最近两个格网点处的方位角。

基于上述修正模型的具体建立包括以下步骤：

1)利用船载USB设备跟踪指定的目标(以北斗卫星为例)，获得USB观测数据，对观测数据进行处理可获得USB跟踪目标的方位俯仰角：

E＝E_c-β_m·cos(A-A_m)-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (2)

A＝A_c-β_m·tanE·sin(A-A_m)-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (3)

式中，E轴系误差修正后的俯仰角，E_c地面零值修正后的俯仰角，A轴系误差修正后的方位角，A_c地面零值修正后的方位角，β_m大盘不水平最大倾斜量，A_m大盘不水平最大倾斜方位；C_S天线光电轴横向不匹配，C_e天线光电轴纵向不匹配，ΔA_Z方位动态滞后，ΔE_Z俯仰动态滞后，ΔE_g重力下垂量，δ_m俯仰轴和方位轴不正交，S_b俯仰轴和光轴不正交，A_c＝A_usb-A₀，E_c＝E_usb-E₀，A_usb和E_usb为USB方位角和俯仰角实测值，A₀和E₀为方位零位和俯仰零位。

2)利用测量船和目标的位置信息可计算出在目标当地空间直角坐标系下的位置矢量enu：

其中，x，y，z为卫星在空间直角坐标系下的位置，x₀，y₀，z₀为测量船在空间直角坐标系下位置，λ₀、

为测量船在大地测量坐标系下的经度、纬度。enu表示一种当地空间直角坐标系，其坐标原点为测量船位置x₀，y₀，z₀，e表示卫星在enu坐标系东向分量(指向东为正)，n表示卫星在enu坐标系东向分量(指向北为正)，u表示卫星在enu坐标系东向分量(指向天顶为正)。

3)利用测量船姿态等信息将目标在当地空间直角坐标下的坐标转换到USB测量坐标系：

式中，

表示USB设备与惯导之间的变形欧拉角旋转矩阵，

表示船体姿态欧拉角旋转矩阵，dx，dy，dz表示USB设备与惯导之间的位置偏差。

4)计算USB跟踪目标相应时刻的理论方位角A_t、俯仰角E_t：

5)计算实测方位俯仰角和理论方位俯仰角差值：

6)对实测俯仰角和理论俯仰角差值进行分块建模，求解模型系数。在实际处理过程中，采用残差法估计模型系数F(A_i,E_j)。首先需要设定模型的格网大小，然后再根据格网的尺度大小进行分块，最后使用统计的方法统计获取各格网点的F(A,E)值。先以俯仰角误差模型系数求解为例，估计分段线性格网模型系数F(A_i,E_j)，估计流程如下：

a.残差分块。将所有天的俯仰角残差按照方位角和俯仰角等间隔地划分为残差小块，如中的红线包络区域。

b.统计求取F(A,E)模型格网点的值。将方位角A和俯仰角E处周围小块(红线包络区域)内的所有残差值取平均，即可获得F(A,E)模型格网点的值

式中，res(A,E)表示在方位角A和俯仰角E处理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值，d_A和d_E分别表示方位角A和俯仰角E方向的格网尺度，N表示在

区域内理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值数据的总个数。

c.迭代。考虑到在处理过程中F(A,E)会被受偶然误差的影响，因此需要进行多次迭代来不断修正F(A,E)模型，直到F(A,E)各网点模型系数不再有明显的变化停止迭代，通常需要迭代多次。

7)使用实测方位角和理论方位角数据重复步骤6)获取方位角误差修正模型系数。

8)跟踪S频段其他卫星，使用公式(1)验证模型的正确性。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种船载USB测角误差修正模型的实现方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据计划提前安排跟踪时间段和船舶所在位置；

步骤2：获目标卫星星历数据；

步骤3：开展目标卫星可见性预报，并判断该时间段是否满足USB分段线性格网模型参数估计观测条件；如果满足最优观测条件，可在预定时间段和海域开展USB轴系参数标校；

步骤4：利用目标星历数据和测量船船位信息生成USB系统引导数据；

步骤5：根据引导数据引导USB设备跟踪目标卫星；

步骤6：根据新的船载USB测角误差修正模型，结合步骤5中记录的相关数据，获得USB测角误差修正模型参数；

步骤7：跟踪其他卫星或在其他时间段跟踪该卫星对USB测角误差修正模型进行测试验证。

2.根据权利要求1所述的一种船载USB测角误差修正模型的实现方法，其特征在于：步骤5中在跟踪过程中实时记录USB跟踪角度测量数据、船舶姿态数据、船舶位置数据、船体变形数据和气象数据。

3.根据权利要求1所述的一种船载USB测角误差修正模型的实现方法，其特征在于：所述步骤6中的修正模型具体为一种基于分段线性函数的格网模型，假设模型F(A,E)由不同的网格点构成，每个格网均由4个待求误差点组成落入该格网内的F(A,E)值可通过以方位角和俯仰角为自变量的分段线性函数模型F(A,E)表示为

式中F(A_i,E_j)、F(A_i,E_j+1)、F(A_i+1,E_j)、F(A_i+1,E_j+1)分别为对应的四个格的格网模型值，F(A,E)为方位角A、俯仰角E处对应的模型改正值，E_j和E_j+1为俯仰角E最近两个格网处的俯仰角，A_i和A_i+1为方位角A最近两个格网点处的方位角。

4.根据权利要求3所述的一种船载USB测角误差修正模型的实现方法，其特征在于：所述步骤6具体包括以下流程：

a.残差分块：将所有天的俯仰角残差按照方位角和俯仰角等间隔地划分为残差小块；

b.统计求取F(A,E)模型格网点的值，将方位角A和俯仰角E处周围小块内的所有残差值取平均，即获得F(A,E)模型格网点的值：

式中，res(A,E)表示在方位角A和俯仰角E处理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值，d_A和d_E分别表示方位角A和俯仰角E方向的格网尺度，N表示在

区域内理论俯仰角和实测俯仰角之间的差值数据的总个数；

c.迭代：考虑到在处理过程中F(A,E)会被受偶然误差的影响，进行多次迭代来不断修正F(A,E)模型，直到F(A,E)各网点模型系数不再有明显的变化停止迭代。

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