CN114355396A - 一种基于北斗系统的usb轴系参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗系统的船载USB轴系参数标定方案，该方案充分利用了北斗卫星资源多、分布均匀、频率一致、轨道信息可实时获取等特点和船舶可360°转向等优势条件，提高了USB轴系参数标校效率及可靠性；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；相比低轨道标校卫星而言，因北斗卫星轨道较高可获得更高精度的理论角度基准，理论上基于北斗系统的船载USB轴系参数标校方案可获得更高精度的轴系参数；利用卫星星历和船舶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

一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法

技术领域

本发明属于航天测控技术领域，涉及一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法。

背景技术

目前，USB系统采用跟踪精轨目标进行直接标校电轴参数的方法得到了成功应用，但是该方法跟踪目标目前主要以标校星为主(其他卫星一样，由于频点不一致，只能使用一种卫星)，受限于标校星数量少，轨道回归周期长，单次跟踪角度覆盖性较差，需多天跟踪才能完成一次标校，同时获取事后精轨周期长，导致标校时效性差，且易受环境变化影响等。目前我国北斗三号卫星导航系统已正式对外提供服务，北斗卫星资源较多、分布均匀、频率相同，且包含有不同轨道周期的卫星，可以为USB轴系参数标校提供充足的标校目标资源。

针对当前标校方法的不足，本发明提供一种基于北斗系统的船载USB轴系参数标校方案，该方案充分利用了北斗卫星资源多、分布均匀、频率一致、轨道信息可实时获取等特点和船舶可360°转向等优势条件，提高了USB轴系参数标校效率及可靠性；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；相比低轨道标校卫星而言，因北斗卫星轨道较高可获得更高精度的理论角度基准，理论上基于北斗系统的船载USB轴系参数标校方案可获得更高精度的轴系参数；利用卫星星历和船舶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。

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USB轴系参数标定方法，方便USB系统在海上动态情况下开展轴系参数标校，提高轴系参数标校效率及可靠性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取北斗卫星星历数据；

步骤2：开展北斗卫星可见性预报，并判断该时间段是否满足USB轴系参数标校最优观测条件；

步骤3：拟制USB跟踪北斗卫星方案；

步骤4：根据USB跟踪北斗卫星方案，利用卫星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设备跟踪北斗卫星；

步骤6：根据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 轴系参数；

步骤7：跟踪其他时间段北斗卫星对USB轴系参数精度进行测试验证。

优选地，步骤2中USB轴系参数标校最优观测条件判定为：在船舶可360°转向的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在 20°～60°范围内至少有3颗，且分布均匀；在船舶按固定航线航行的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在20°～60°范围内至少能够跟踪40～50颗北斗卫星，且跟踪的北斗卫星在各象限内分布均匀。

优选地，所述步骤6中的USB测角误差修正模型为：

E＝E_c-β_m·cos(A-A_m)-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (1)

A＝A_c-β_m·tanE·sin(A-A_m)-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (2)

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。

优选地，所述步骤6根据USB测角误差修正模型，获得USB轴系参数的方法包括以下步骤：

1)利用船载USB设备跟踪北斗卫星，获得USB观测数据，使用默认或初始轴系参数利用公式(1)和(2)获得USB实测方位俯仰角度数据；

2)利用测量船和北斗卫星位置信息可计算出北斗卫星在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设备与惯性导航设备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设备与惯性导航设备之间的位置偏差；

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)USB轴系参数标定：

将公式(1)和(2)中的sin(A-A_m)和cos(A-A_m)展开，将非线性问题线性化，并记

K＝β_m·cos(A_m)M＝β_m·sin(A_m) (7)

将公式(7)代入公式(1)和(2)可得

E＝E_c-K·cos(A)-M·sinA-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (8)

A＝A_c-tanE·[M·sinA-K·cosA]-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (9)

将轴系参数x作为未知量，即

x＝[A₀ E₀ K M δ_m S_b]^T (10)

根据实测数据和北斗卫星理论轨道计算结果，可组建误差方程：

V＝Ax-l (11)

其中，A表示设计矩阵；V表示实测方位俯仰角和理论方位俯仰角向量；x表示待求解的轴系参数；l表示测量与理论计算值的差值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种基于北斗系统的船载USB轴系参数标校方案，该方案充分利用了北斗卫星资源多、分布均匀、频率一致、轨道信息可实时获取等特点和船舶可360°转向等优势条件，提高了USB轴系参数标校效率及可靠性；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；相比低轨道标校卫星而言，因北斗卫星轨道较高可获得更高精度的理论角度基准，理论上基于北斗系统的船载USB轴系参数标校方案可获得更高精度的轴系参数；利用卫星星历和船舶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是船舶可360°转向标定方式示意图。

图2是船舶按固定航线航行标定方式示意图。

图3是基于北斗系统的船载USB轴系参数标定流程图。

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，本实施例提供一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，根据USB测角轴系参数修正公式，可获得USB测角误差修正模型，

E＝E_c-β_m·cos(A-A_m)-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (1)

A＝A_c-β_m·tanE·sin(A-A_m)-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (2)

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。基于上述USB测角误差修正模型的USB轴系参数标校的具体步骤为：

1)开展北斗卫星可见性预报，并判断该时间段是否满足USB轴系参数标校最优观测条件。在船舶可360°转向的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在20°～60°范围内至少有3颗，且分布均匀，如图1所示；在船舶按固定航线航行的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在20°～60°范围内至少可跟踪40～50颗北斗卫星，且跟踪的北斗卫星在各象限内分布均匀，如图2所示。

2)利用船载USB设备跟踪北斗卫星，获得USB观测数据。使用默认或初始轴系参数利用公式(1)和(2)获得USB实测方位俯仰角度数据。

3)利用测量船和北斗卫星位置信息可计算出北斗卫星在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)。

4)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设备与惯性导航设备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设备与惯性导航设备之间的位置偏差。

5)计算USB跟踪目标相应时刻的理论方位角A_t、俯仰角E_t：

6)计算实测方位俯仰角和理论方位俯仰角差值：

7)USB轴系参数标定：

将公式(1)和(2)中的sin(A-A_m)和cos(A-A_m)展开，将非线性问题线性化，并记

K＝β_m·cos(A_m)M＝β_m·sin(A_m) (7)

将公式(7)代入公式(1)和(2)可得

E＝E_c-K·cos(A)-M·sinA-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (8)

A＝A_c-tanE·[M·sinA-K·cosA]-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (9)

将轴系参数x作为未知量，即

x＝[A₀ E₀ K M δ_m S_b]^T (10)

根据实测数据和北斗卫星理论轨道计算结果，可组建误差方程：

V＝Ax-l (11)

其中，A表示设计矩阵；V表示实测方位俯仰角和理论方位俯仰角向量；x表示待求解的轴系参数；l表示测量与理论计算值的差值。

8)跟踪其他时间段北斗卫星，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)

1.一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取北斗卫星星历数据；

步骤2：开展北斗卫星可见性预报，并判断该时间段是否满足USB轴系参数标校最优观测条件；

步骤3：拟制USB跟踪北斗卫星方案；

步骤4：根据USB跟踪北斗卫星方案，利用卫星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设备跟踪北斗卫星；

步骤6：根据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轴系参数；

步骤7：跟踪其他时间段北斗卫星对USB轴系参数精度进行测试验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，其特征在于：步骤2中USB轴系参数标校最优观测条件判定为：在船舶可360°转向的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在20°～60°范围内至少有3颗，且分布均匀；在船舶按固定航线航行的情况下，USB轴系参数标校最优观测条件的判断标准为跟踪时间段内北斗卫星高度角在20°～60°范围内至少能够跟踪40～50颗北斗卫星，且跟踪的北斗卫星在各象限内分布均匀。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，其特征在于：所述步骤6中的USB测角误差修正模型为：

E＝E_c-β_m·cos(A-A_m)-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (1)

A＝A_c-β_m·tanE·sin(A-A_m)-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (2)

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。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗系统的USB轴系参数标定方法，其特征在于：所述步骤6根据USB测角误差修正模型，获得USB轴系参数的方法包括以下步骤：

1)利用船载USB设备跟踪北斗卫星，获得USB观测数据，使用默认或初始轴系参数利用公式(1)和(2)获得USB实测方位俯仰角度数据；

2)利用测量船和北斗卫星位置信息可计算出北斗卫星在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设备与惯性导航设备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设备与惯性导航设备之间的位置偏差；

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)USB轴系参数标定：

将公式(1)和(2)中的sin(A-A_m)和cos(A-A_m)展开，将非线性问题线性化，并记

K＝β_m·cos(A_m) M＝β_m·sin(A_m) (7)

将公式(7)代入公式(1)和(2)可得

E＝E_c-K·cos(A)-M·sinA-C_e-ΔE_Z-ΔE_g·cosE (8)

A＝A_c-tanE·[M·sinA-K·cosA]-δ_m·tanE-S_b·secE-C_S·secE-ΔA_Z·secE (9)

将轴系参数x作为未知量，即

x＝[A₀ E₀ K M δ_m S_b]^Τ (10)

根据实测数据和北斗卫星理论轨道计算结果，可组建误差方程：

V＝Ax-l (11)

其中，A表示设计矩阵；V表示实测方位俯仰角和理论方位俯仰角向量；x表示待求解的轴系参数；l表示测量与理论计算值的差值。

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