基于距離交匯法的海上動態(tài)定位誤差分析（通訊）
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基于距離交匯法的海上動態(tài)定位誤差分析（通訊）
杜亞杰， 劉愛東， 孫海文
（海軍航空工程學院，山東煙臺264001）
摘要：艦載機在著艦過程中需要清楚艦載機實時的真實空間位置。針對激光測距機距離交匯定位的方法，對該定位方法進行誤差分析。誤差來源分為兩類，一類是激光測距機的測距誤差，另一類是距離交匯定位方法的誤差。以激光測距的原理為基礎，分析影響激光測距的誤差源并給出誤差修正公式。以距離交匯定位方法模型為基礎，分析各誤差產(chǎn)生原因并給出用該方法解算時實際值與理論值的偏差。分析結(jié)果表明，當艦栽機距離航母1km時，定位誤差在分米級，能夠滿足定位精度的要求。
關(guān)鍵詞：激光測距；距離交匯；定位；誤差分析；艦載機
中圖分類號：TN247; P207 文章編號：1671 - 637X( 2016) 04 - 0081 - 04
0 引言
艦載機在航母上著艦，難度大、風險高，被稱為“刀尖上的舞蹈”，因此，艦載機在著艦過程中，需要清楚艦載機實時的真實空間位置。介紹了空間測邊交匯的具體解法，能夠?qū)崿F(xiàn)定位的要求。但是，航母在海上遂行軍事任務，工作環(huán)境十分復雜且惡劣，在海上進行動態(tài)定位時存在很多不利因素影響距離交匯定位方法的精度。因此，對距離交匯法海上動態(tài)定位進行誤差分析有很大的意義。
1 距離交匯定位方法模型
在艦載機起落架上安裝激光合作目標，在航母甲板上找3個已知點安裝激光測距機，采用電視或紅外跟蹤攝像機實時跟蹤目標，用激光測距機測量已知點到艦載機的距離，采用距離交匯的方法對艦載機進行定位。具體的定位模型如下：以理想著艦點0為坐標原點，以平行于著艦跑道中心線指向艦艉的方向為X軸正向，垂直于甲板面向上方向為Y軸正向，Z軸方向符合右手法則，建立坐標系如圖1所示。
方程組(1)的解即為t時刻艦載機的位置。方程組是一個非線性高次代數(shù)方程組，研究了這類方程組的求解方法，在這里不再詳細介紹。
2激光測距機測距誤差分析
2.1測距誤差源
激光測距機測距誤差可以表示為：
式中：
為激光測距總的系統(tǒng)誤差；
為計數(shù)器頻率發(fā)生頻偏使其對應的假想光速與真空光速產(chǎn)生偏差而引起的測量誤差；
為由于大氣密度的不同，光在大氣中的傳播速度發(fā)生變化，與真空中的光速不同而引起的大氣折射誤差；
為由發(fā)射脈沖和接收脈沖兩路電子線路延遲時間不同引起的電光系統(tǒng)延遲誤差。
此外，激光合作目標的特性也會對測距的精度產(chǎn)生一定的影響。
2.2系統(tǒng)誤差的修正
1)計數(shù)器的頻率修正。
該誤差與計數(shù)器頻率有關(guān)，計數(shù)器頻率增大，誤差則減小。
2)大氣修正。
式(4)為在水平測量時的修正公式。艦載機著艦時可以視為水平測量，可用式(4)修正。
2.3隨機誤差估算
脈位誤差是指啟動脈沖與停止脈沖的觸發(fā)前沿不一致而產(chǎn)生的誤差。
3 距離交匯動態(tài)定位誤差分析
假設3個激光測距機的坐標（單位為m）分別為（0，0，-15），（- 10，0，10），（- 135，0，0），艦載機在距理想著艦點水平距離為1km的位置，此時艦載機的坐標（單位為m）為( 1000，69. 927，0)。以下誤差分析均在此假設位置上進行解算。
3.1時間不同步誤差
根據(jù)距離交匯定位方法的原理可知，對艦載機進行定位，需要測量同一時刻3個激光測距機與艦載機之間的距離。但在實際情況中時間不可能完全一致，3個激光測距機的測量會出現(xiàn)時間不同步的問題，而解算時仍按照時間同步來處理，因此會產(chǎn)生誤差。
激光測距機的測距原理是通過測量激光光束在被測距離往返一次的時問，間接算出被測距離，即
假設以激光測距機A測量時刻為基準，激光測距
在不同的時間延遲下，經(jīng)解算，艦載機位置誤差見表1。通過計算發(fā)現(xiàn)，當時間延遲在10 ps內(nèi)時，俯仰誤差和方位誤差均在分米級，對定位精度有一定影響。
3.2空間不同步誤差
激光測距機在進行距離交匯時，3個激光測距機需要對同一位置的艦載機進行測距，但是，艦載機在著艦過程中位置是實時發(fā)生變化的，實際測量時，3個激光測距機的測量會出現(xiàn)空間不同步的現(xiàn)象，因此會產(chǎn)生一定誤差，如圖2所示。
經(jīng)過分析，空間不同步主要是由于3個激光測距機發(fā)射的激光脈沖到達艦載機的時間不一致引起的，經(jīng)計算，由此產(chǎn)生的空間延遲距離在十微米級甚至更小。在不同的空間延遲下，艦載機定位誤差見表2。通過計算得到，由于空間不同步產(chǎn)生的定位誤差很�。ê撩准墸�，對定位精度的影響可以忽略。
3.3甲板變形誤差
航母在海上航行過程中，會受到海水的浮力以及海浪的沖擊力，航母甲板在各種外力的綜合作用下會發(fā)生一定量的變形，這種變形在一定程度上會影響系統(tǒng)的測量精度。3個激光測距機的位置也隨甲板變形而發(fā)生變化，如圖3所示。
可用來代替方程組(1)。
甲板變形引起3個激光測距機的坐標發(fā)生變化，在不同的變化量下，艦載機定位誤差見表3。通過計算得到，當位置坐標發(fā)生厘米級的變形時，艦載機定位誤差在分米級，對定位精度有一定影響。
4 總結(jié)與展望
由于海上環(huán)境復雜以及海浪的影響，艦體會發(fā)生橫搖、縱搖、升沉等現(xiàn)象，激光測距機在坐標系中應保持慣性穩(wěn)定，因此在進行距離交匯解算時，應對艦體的橫搖、縱搖和升沉等信息進行補償，保證激光測距機在坐標系中測距數(shù)據(jù)的正確性。
激光測距機距離交匯定位方法雖然存在較多誤差源，但是這種方法不能被傳統(tǒng)方法所取代。傳統(tǒng)的一些方法雖然精度較高，但是適用環(huán)境能力差，對艦船狀態(tài)要求高，在很多情況下不能正常進行；而距離交匯定位條件要求低，適用范圍廣，在準靜態(tài)環(huán)境下測距定位優(yōu)勢明顯。
通過對距離交匯定位方法的誤差進行分析，提出一種新的激光測距定位技術(shù)實現(xiàn)方法——距離差法，稱之為偽干涉機制。所謂偽干涉機制定位就是一個激光測距機為主站發(fā)射激光，其他站作為副站接收，然后利用距離差求解目標位置。下面對兩種方法進行簡單的比較。
1)距離交匯法測距是幾個激光器同時發(fā)射激光脈沖，并分別接收，這樣就存在發(fā)射時間不同步的問題，需要采用外同步觸收測距，建立時統(tǒng)；而距離差法測距是一個激光器發(fā)射脈沖，其余3個接收脈沖，不存在時間不同步的現(xiàn)象。
2)距離交匯法由于同時發(fā)射激光，在接收時要分別接收各自發(fā)射的激光，可能存在接收錯誤的情況，需要采用編碼測距方式，每臺測距機使用不同的頻率進行測距；而距離差法則不存在這方面的問題。
3)距離差法是將距離和相減，用差值進行計算，會在很大程度上抵消激光在空氣中傳播時產(chǎn)生的隨機誤差。
在以上3方面距離差法測距定位比距離交匯法有一定優(yōu)勢，但是也具有一定的弊端，比如，機上合作目標對激光的散射要覆蓋全部的激光測距機，否則副站接收不到回波，因此，距離差法要解決接收視場匹配的問題�？傊瑐胃缮鏅C制定位具有良好的應用前景，下一步將對其進行深入研究。
