1、书书书测控技术2023 年第 42 卷第 1 期计算机与控制系统收稿日期:2022 02 14引用格式:田英国，许国伟，顾新锋，等 基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法 J 测控技术，2023，42(1):126 130TIAN Y G，XU G W，GU X F，et al Calibration Method for Shipborne USB Shafting Parameters Based on BeiDou SystemJ Measurement Control Technology，2023，42(1):126 130基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法田英国，许
2、国伟，顾新锋，刘洋，周海渊(中国卫星海上测控部，江苏 江阴214431)摘要:在目前跟踪精轨目标进行直接标校电轴参数方法的基础上，充分利用北斗卫星资源较多、分布均匀和包含有不同轨道周期卫星的特点，通过合理设计 USB 跟踪北斗卫星方案提高了 USB 轴系参数标校的效率。通过试验验证，该方案能够有效克服目前 USB 轴系参数标校受天气影响、跟踪低轨道标校星受时间限制等不利条件的影响，实现 USB 轴系参数的快速标校，标校结果能够满足 USB 测角指标的要求。关键词:北斗卫星;统一 S 波段测控系统;轴系参数;标校中图分类号:TP39;TN967 1文献标志码:A文章编号:1000 8829(20
3、23)01 0126 05doi:10 19708/j ckjs 2022 06 271Calibration Method for Shipborne USB Shafting Parameters Based onBeiDou SystemTIAN Ying-guo，XU Guo-wei，GU Xin-feng，LIU Yang，ZHOU Hai-yuan(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department，Jiangyin 214431，China)Abstract:On the basis of the curren
4、t method of direct calibration of electric axis parameters for tracking preci-sion orbit targets，taking full advantage of BeiDou satellites that are abundant，evenly distributed and with dif-ferent orbital periods satellites，the efficiency of USB shafting parameter calibration is improved by reasonab
5、lydesigning the scheme of USB tracking BeiDou satellite The experimental results show that the scheme can ef-fectively overcome the adverse conditions such as weather influence on USB shafting parameter calibration andtime limit on tracking low orbit calibration star，and realize the rapid calibratio
6、n of USB shafting parametersThe calibration results can meet the requirements of USB angle measurementKey words:BeiDou satellite;unified S band tracking telemetering and control system;shaft parameters;cali-brationS 频段统一测控系统(简称 USB)是航天测量船最为重要的测控设备。为确保在各类测量中的测量精度，必须适时对 USB 设备进行标校1。USB 设备标校包括标定和校准 2 个
7、过程，标定主要是指获取 USB 设备跟踪相位、定向灵敏度和轴系误差参数的过程;校准主要是指调整设备跟踪相位、定向灵敏度和轴系误差参数等的过程，主要讨论 USB 轴系误差参数标定和校准问题。目前，传统 USB 轴系参数标校以光轴为中间量实现机械轴和电轴之间的转换。光轴是机械轴的中介，而机械轴又是 USB 天线的几何轴心，理论上该标校方法能够满足 USB 标校的需求2 4。但是在实际使用中，发现该方法操作难度大，容易受天气等因素的影响，而且光学设备本身的精度及其安装稳定度也会影响 USB 设备标校结果。近几年，杨磊等5 提出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621应用，但是目前跟
8、踪精轨目标主要以跟踪标校星为主，受限于标校星数量少、轨道回归周期长和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，人力物力资源消耗多且引入环境变化误差较多。目前，北斗卫星资源较多且分布均匀，包含有不同轨道周期的卫星，合理设计 USB 跟踪北斗卫星方案，充分利用北斗卫星资源，进而提高 USB 轴系参数标校的效率，具有重要的研究价值6 7。1基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法1 1北斗卫星轨道计算方法为避免小倾角带来的轨道拟合奇异现象，北斗GEO 卫星采用了中间轨道法拟合广播星历参数，即计算 GEO 卫星位置时需旋转 58。下面分别给出ME
9、O/IGSO 和 GEO 卫星位置计算方法。计算历元升交点的经度(地固系)为k=0+()etk etoe(1)式中:k为改正后的升交点经度;0为周历元零时刻计算的升交点经度;e为地球自转角速度;toe为星历参考时刻;tk为当前时刻与星历参考时刻 toe的时间差。计算 MEO/IGSO 卫星在 CGS2000 坐标系中的坐标为Xk=xkcosk ykcosiksinkYk=xksink+ykcosikcoskZk=yksinik(2)式中:xk、yk为卫星在轨道平面内的坐标;ik为改正后的轨道倾角;Xk、Yk、Zk为卫星在 CGS2000 坐标系中的坐标。计算历元升交点的经度(惯性系)为k=0+
10、tk etoe(3)计算 GEO 卫星在自定义惯性系中的坐标为XK=xkcosk ykcosiksinkYK=xksink+ykcosikcoskZK=yksinik(4)式中:XK、YK、ZK为 GEO 卫星在自定义惯性系中的坐标。计算 GEO 卫星在北斗坐标系中的坐标为XGKYGKZGK=Z(etk)X(5)XKYKZK(5)式中:XGK、YGK、ZGK为 GEO 卫星在北斗坐标系中的坐标;X()、Z()分别为X()=1000cossin0 sincosZ()=cossin0 sincos00011 2观测方程USB 测角数据轴系误差修正模型为Ac=A+A0+msin(A Am)tanE+
11、mtanE+(Sb+Cs+AZ)secEEc=E+E0+msin(A Am)+EgcosE+(Ce+EZ)(6)式中:A 和 E 分别为实测方位角和俯仰角;A0为方位零位;E0为俯仰零位;m为大盘不水平;Am为大盘最大倾斜方位;m为俯仰、方位不正交;Sb为俯仰光轴不正交;Cs为方位光电偏差;Ce为俯仰光电偏差;Eg为重力下垂;AZ、EZ分别为方位、俯仰动态滞后;Ac、Ec分别为修正轴系误差后的实测方位角、俯仰角。由式(6)可知，俯仰上，零值、纵向光电偏差和动态滞后是相关的;方位上，光机偏差、横向光电偏差和动态滞后是相关的，因此无法直接对所有参数进行估计。1 3误差方程已知动平台的实时位置(即观
12、测站实时位置)和北斗卫星的实时位置，可得观测站观测北斗卫星的理论方位角和俯仰角。在观测站站心坐标系下，北斗卫星的坐标为XpYpZp=PXYZ=PXsat XstationYsat YstationZsat Zstation(7)式中:Xstation、Ystation、Zstation为观测站在大地坐标系下的坐标;Xp、Yp、Zp为北斗卫星在观测站站心坐标系下的坐标;Xsat、Ysat、Zsat为北斗卫星在大地坐标系下的坐标;P 为转换矩阵，可表示为P=sinBcosL sinBsinLcosB sinLcosL0cosBcosLcosBsinLsinB(8)式中:B 为观测站的大地纬度;L
13、为观测站的大地经度。根据式(7)可得北斗卫星的站心坐标与站心极坐标的关系为XpYpZp=rcosEtheorycosAtheorycosEtheorysinAtheorysinEtheory(9)根据式(9)可得北斗卫星的理论方位角和俯仰角为721基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法r=X2p+Y2p+Z2pAtheory=arctanYpXpEtheory=arctanZpX2p+Y2p(10)根据式(6)和式(10)可获得动平台雷达等效轴系参数标定的误差方程如下:Ac Atheory=A=A0+msin(A Am)tanE+mtanE+(Sb+Cs+UA/CA)secEEc Eth
14、eory=E=E0+msin(A Am)+EgcosE+(Ce+UE/CE)(11)记 X=msin(Am)，Y=mcos(Am)，则:Ac Atheory=A=A0+XsinAtanE YcosAtanE+mtanE+(Sb+Cs+UA/CA)secEEc Etheory=E=E0+XsinA YcosA+EgcosE+(Ce+UE/CE)(12)记待估轴系参数为 x，则有:x=A0E0XYmSb(13)记 A 矩阵为A=10sinAtanE cosAtanEtanE101sinA cosA00(14)记 l=Ac AtheoryEc Etheory，根据最小二乘原理可建立误差方程为v=Ax
15、 l(15)进一步可得轴系参数的估计值x:x=(ATA)1Al(16)将估计值带入到方程，可得估计残差v:v=Ax l(17)2轴系参数标校流程基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校流程如下:根据标校计划提前安排跟踪时间段，并预估船舶大致的位置。获取北斗卫星导航接收机记录的星历数据。北斗卫星可见性预报，并判断是否满足 USB 轴系参数标校最优观测条件。若满足最优观测条件，可在预定时间段和海域开展 USB 轴系参数标校;若不满足最优观测条件需重新选定跟踪时间段。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 10 60范围内至少有 3 颗，且分布均匀。生成北斗卫星瞬
16、时轨道根数。数字引导软件装订北斗卫星瞬时轨道根数，生成数字引导数据。USB 设备根据数字引导数据跟踪北斗卫星。跟踪过程中，实时记录 USB 跟踪角度测量数据、捷联惯导数据、卫导数据、变形数据、北斗卫星星历和气象数据等，并记录各北斗卫星的跟踪时间段。根据步骤中的相关数据，使用基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校软件开展 USB 轴系参数标校，获得 USB 轴系参数标校结果。跟踪其他北斗卫星(未参与标校的北斗卫星)或其他时间段的北斗卫星对新标校的轴系参数进行验证。基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校流程如图 1 所示。图 1基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校流程3算例分析为验证基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法及数学模型的正确性，2021 年 4 月开展了一次USB 跟踪北斗卫星试验，USB 跟踪北斗卫星详细情况如表 1 所示，跟踪北斗卫星星空图如图 2 所示。首先装订 2021 年 3 月跟踪 6 d 标校星标定的轴系参数，如表 2 所示。分析 2021 年 4 月份 USB 跟踪北斗卫星数据质量，并以分析结果作为基于北斗系统的船载 USB 轴系参数标校方法的比对
