将测量船惯导船摇数据等效至测控设备处的船摇等效方法

技术领域

本发明涉及一种船摇等效方法，主要用于将惯导设备测量的船摇数据通过变形修正，等效计算到各个测控设备处。

背景技术

航天测量船在海上航行过程中因受风、浪、涌等多种因素的影响，会引起船体姿态发生复杂、不规则的运动。安装在船体甲板上的各种测量设备，同样受到这种不规则运动的影响。研究表明：测量船的测量精度不仅与外测设备本身精度有关，而且与测量船船体姿态、变形有关。为修正这种不规则运动对测量精度的影响，测量船安装了船载惯性导航设备用于实时测量测量船船位及船摇。由于惯导设备测量的是惯导三轴交点处的船体摇摆角，而测控设备三轴中心与惯导三轴中心不在同一位置，惯导测量的船摇角不能直接使用于测控设备船摇修正。因此在处理测量设备测量数据或计算测控设备引导数据时必须将惯导测量的船摇数据通过变形修正，等效计算到各个测控设备处。另外，如果测量船在不同位置安装多套船姿测量设备，在分析不同设备间船姿测量结果时，也需要将一套惯导船摇数据等效到另一套惯导设备处。船摇等效计算是多套船姿测量数据融合备份使用、不同测控设备精度比对的前提。

当前船摇等效计算时一般采用平移法。该方法认为设备地平坐标系与惯导地平坐标系坐标轴指向相同，即设备三轴中心水平面与惯导三轴交点水平面为同一平面。事实上，由于地球形状的影响，对于参考椭球体表面的不同位置，水平面都不相同，因此设备地平坐标系与惯导地平坐标系坐标轴指向存在差异。平移法计算船摇等效必然带来了较大的误差。

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一种考虑地球形状的船摇等效计算法，可以显著提高船摇等效精度，进而提高外测数据精度。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种将测量船惯导船摇数据等效至测控设备处的船摇等效方法，所述方法包括以下步骤：

步骤A、根据惯导测量的船摇数据和惯导三轴交点在地心固联系下的大地坐标以及惯导平台至测控设备间变形欧拉角计算经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵、船摇旋转矩阵和变形欧拉角矩阵，其中为艏摇，为纵摇，为横摇，为经度，为纬度，为高程，

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（3）

（4）；

步骤B、根据测控设备三轴中心在惯导甲板系中坐标以及经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵、船摇旋转矩阵计算设备三轴中心在地心固联系下坐标

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其中

，，为参考椭球体第一偏心率的平方，为地球赤道半径；

步骤C、根据测控设备三轴中心在地心固联系下直角坐标计算其大地坐标，计算公式为

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步骤D、根据测控设备三轴中心在地心固联系下大地坐标计算设备的经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵，计算公式为

（7）

（8）；

步骤E、计算测控设备等效船摇欧拉角矩阵，计算公式为：

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步骤F、根据测控设备等效船摇欧拉角矩阵计算测控设备的船摇数据，其中设 ，计算公式为

（10）。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

理论分析和数据验证表明，考虑地球形状能够减少船摇等效计算过程中的系统误差，提高等效数据的精度，这将为测量船的船摇数据计算以及外测数据处理的精度提高提供支持。

附图说明

图1为本发明中船位经度等效船摇的影响仿真图。

图2为本发明中船位纬度等效船摇的影响仿真图。

图3为本发明中船位高程等效船摇的影响仿真图。

图4为本发明中测控设备视差对等效船摇的影响仿真图。

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。

本实施例中的一种将测量船惯导船摇数据等效至测控设备处的船摇等效方法，其具体过程如下：

步骤A、根据惯导测量的船摇数据和惯导三轴交点在地心固联系下的大地坐标以及惯导平台至测控设备间变形欧拉角计算经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵、船摇旋转矩阵和变形欧拉角矩阵，其中为艏摇，为纵摇，为横摇， 为经度，为纬度，为高程，

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（3）

（4）

步骤B、根据测控设备三轴中心在惯导甲板系中坐标以及经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵、船摇旋转矩阵计算设备三轴中心在地心固联系下坐标

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其中

，，为参考椭球体第一偏心率的平方，为地球赤道半径。

步骤C、根据设备三轴中心在地心固联系下直角坐标计算其大地坐标，计算公式为

>

步骤D、根据测控设备三轴中心在地心固联系下大地坐标计算设备的经度旋转矩阵、纬度旋转矩阵，计算公式为

（7）

（8）

步骤E、计算测控设备等效船摇欧拉角矩阵，计算公式为：

>

步骤F、根据测控设备等效船摇欧拉角矩阵计算测控设备的船摇数据，其中设 ，则计算公式为

（10）

本发明提供的一种将测量船惯导船摇数据等效至测控设备处的船摇等效方法，消除了地球形状对船摇等效计算的误差，能够准确地计算各测控设备处的船摇数据，对于提高测量船的外测数据处理精度具有重要的意义。

采用上述方法进行实际测试，表1是两种等效船摇方法计算偏差比较结果，可以看出，利用本文提出的方法进行船摇等效，并将测量系数据坐标转换至地心固联系时处理精度更高。

表2是等效船摇方法误差对定轨结果影响结果，可以看出等效船摇误差对初轨半长轴误差影响从64.5米到1512.9米，若进行高精度轨道计算，等效船摇误差不容忽视。

图1至图4是为分析地球形状对船摇等效的影响，本文仿真不同条件下使用平移法和本文的船摇等效方法得到的等效船摇数据差异 。上述仿真数据可以看出，等效船摇误差与船位经度、高程几乎无关，与设备视差呈线性关系；在低纬度地区，对纵摇误差影响较大，在高纬度地区，对艏摇误差影响较大；航向为东西向时，对艏摇误差影响较大，航向为南北向时，对艏摇误差影响较小。

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。