《舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法_张磊.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法_张磊.docx（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 DOI: 10.13695/j .cnki. 12-1222/ 3.2013.02.023 第 21 卷第 2 期 中国惯性技术学报 2013 年 4 月 Journal of Chinese Inertial Technology 文章编号 ： 1005-6734(2013)01-0275-06 Vol.21 No.2 Apr. 2013 舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法 张磊 李辉 韩涛 ； ，郑振宇 1 (1.海军大连舰艇学院，大连 116018; 2.空军大连通信士官学校，大连 116600) 摘要： 针对武器系统姿态基准坞内标校过程复杂的问题，提出一种基于恒星参考系的基准标校方法
2、。 应用星敏感器拍摄星空图像并对星图进行处理获取量测信息，对星图进行天体辨识和恒星视位置同步 计算获取基准信息，解算二者数据信息求取装备姿态，进而测量舰船不同部位装备基准偏差。建立了 星敏感器与武器装备坐标系统一模型，在保证高精度的条件下解决了系统装舰对准困难的问题。实验 结果表明测量精度优于 10。该方法操作简便，能有效实现舰船装备基准姿态偏差高精度测量，提高 武器系统坞内标校的效率。 关键词 ：武器系统；标校；星敏感器；坐标变 换 中图分类号： U666.1 文献标志码 ： A New method of dock calibration for naval vessel weapon s
3、ystem attitude reference ZHANG Lei1. LI Hui1. HAN Tao2. ZHENG Zhen-yu1 (1. Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. Air Force Dalian Communication Officer School, Dalian 116600, China) Abstract: Aiming at the complex process of naval vessel weapon system attitude reference calibration, a new c
4、alibration method based on stellar reference system was put forward. The measured data was obtained by star image processing, and the reference data was obtained by automatic celestial body identification and star apparent position calculation. The weapon attitude was resolved by measured data and r
5、eference data, and the reference error between different weapons was obtained. The model, whose star sensor was coordinated with weapon, was set up to solve the star sensor 5s accurate aligning with naval vessel. The experiment results indicate that the precision was higher than lO. The method was e
6、asy to operate. It also realize the high precision measurement of naval vessel weapon attitude reference error and increase the efficiency of naval vessel weapon system calibration in dock. Key words: weapon system; calibration; star sensor; coordinate transformation 舰船武器装备作战使用中，需要建立统一的甲板 坐标系，保证武器系统
7、之间具有一致的水平基准和方 位基准，需要在船坞内进行的方位标校和水平标校统 称为坞内标校。 目前，方位标校是以载体上的艏艉线基准镜或基 准线为基准，通过光学传递方法，使各武器装备或设 备的方位零位在大地水平而内一致起来。水平标校的 原理是在当地水平而内，用水平测量仪器同步或差分 测量基准平台、各武器装备或设备的水平基准而，看 K 是否一致，通过必要的调整，使水平精度满足试验 总体要求。在标校过程中，水平调整会造成方位上的 失调，方位调整可能造成水平上的失调，故水平标校 和方位标校需要反复进行，交叉进行多次，工作量大， 发生费用较高 1_3。 木文提出了一种基 T 恒星参考系的舰船武器系统 基准
8、坞内标校方法，通过建立模型将星敏感器与武器 收稿日期 ： 2012-09-13;修回日期 ： 2013-01-08 基金项目 ：国家科技支撑计划课题 （ 2012BAH36B03);海军大连舰艇学院科研发展基佥资助项目 （ 2012024) 作者简介 ：张磊 （ 1983），男，博上，从事舰船装备基准检测与校准研究。 E-mail: 276 中国惯性技术学报 第 21 卷 装备基准统一，在准静止状态利用星敏感器测量武器 装备基准面的三轴姿态，以此建立目标相对不同位置 的高低角、方位角修正模型，从而有效提高武器系统 的打击精度。 解，得出载体坐标系在惯性坐标系下的三轴姿态数据。 将光学系统安放
9、在舰艇需要标校的不同装备位置处， 即得到两个载体坐标系在惯性坐标系下的三轴姿态， 求取姿态偏差矩阵，即可进行武器装备的标校。 1 标 校 原 理 恒星参考系 （ CIRS:国际协议惯性参考系 ） 是目 前唯一可测且精度最高的惯性参考系。恒星是惯性参 考系中最可靠的信标，以恒星的空间位置为基准信息， 利用光学系统对恒星进行观测得到量测信息，可以求 取光学系统所在武器装备位置处的姿态，进而对武器 装备的方位和水平基准进行标校 4_6。标校示意图如图 1 所示，基于恒星参考系的武器系统基准标校坐标变 换流程如图 2 所示。 图 1 武器系统姿态基准坞内标校示意图 Fig. 1 Diagrammati
10、c sketch of weapon system attitude reference dock calibration 图 2 基于恒星参考系的姿态基准标校流程图 Fig.2 Flow chart of attitude reference calibration based on CIRS 基于恒星参考系的舰船武器装备基准标校原理是 利用上位机控制两个星敏感器的 CCD 采集单元对恒星 参考系进行观测，得到星空图像，通过星图处理提取出 星像质心坐标 78，通过以下三个步骤进行坐标变换： 1) 通过星像的像平面坐标 c， J)直接获得星体的 像空间坐标 Cr， j， -/)， /为光学系统
11、镜头的焦距。经 过光学系统标定和载体坐标系统一矩阵变换，得到星 像在载体坐标系中的坐标 (Xz， 7Z， Zz)。 2) 将用标定参数对星体像平面坐标进行修正， 根据该星图上的星像间几何位置关系（星间角距）进 行星体辨识，对辨识出的星体通过恒星视位置计算及 相 关 变 换 后得 出 星 体 的 赤 道 直 角 坐 标 ， 利 用 标校地点的经讳度得到星体在站心地平坐标系下的坐 标 (UT， zT)。 3) 当得到星阁中的多颗星体在站心地平坐标系中 的坐标 （ XT， ZT)和载体坐标系中坐标 （ Xz， &， Zz) 后，利用 QUEST 方法进行最优四元数姿态矩阵的求 2 星敏感器与武器装备
12、坐标系的统一 星敏感器经过静态标定后， CCD 平面与底座的转 换关系建立起来 9，从而可以求得任意星敏感器底座 所放置平面的横摇角 d、纵摇角 A、航向角而 姿态基准标校中测量的是武器装备所在位置处的姿 态，所以需要将星敏感器与武器装 备坐标系统一起 来 1_13。舰艇武器装备是以艏艉线为基线零位，艏艉 线的方位即为航向，舰艇航向 C 可以用相关方法精确 测出，利用航向建立从星敏感器到载体的坐标系变换 模型。 图 3 中，放置在武器装备位置处的星敏感器坐标 系为 - Xz： KzZz。 6-Xd； Zd和 6-Xz； KzZz在同一甲板面上， 6卩与甲板 而上的舰艏艉线平行，并且 0-Xd：
13、 FdZd 绕垂直丁甲板而 的(9Zz (9Zd)轴旋转 p 即得到 (9-XzrzZz，坐标系的旋 转关系如阁 4所示，式 (1)为旋转矩阵，可建立两坐标 系统一模型。 第 2 期 张磊等 :舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法 277 图 3 坐标系统一示意图 图 4 坐标系旋转关系 Fig.3 Diagrammatic sketch of coordinate system unity Fig.4 Coordinate system transformation d、 /?d、 h 为星敏感器放置在武器装备平面位置处输出的姿态角。由式 G)可知星敏感器的姿态可表示为： (2) 式中， （
14、.vT， .vT， ;： T)表示地平坐标系坐标值。 （ 9-f dZd在甲板而上绕 9Zz(9Zd)轴旋转 p 得到 (9-f zZz，则有： 式中， az、 怂、 &为舰船武器装备的姿态角，则有： 式中， rz=c,所以有： 设 & =A(ad).A(/?d).尽 (rd),则有： (5) (6) 由式 (1)可知 : 在等号左边都为已知量，不妨设 : 由两矩阵对应关系可以求得： (V) (8) (9) 278 中国惯性技术学报 第 21 卷 通过以上方法求出 值，可以将星敏感器本体坐 标变换到以舰艏艉线 （ 航向角为航向 C)为 横 摇 旋 转 轴 的 横摇角、纵摇角完成与武器装备坐标系
15、 的统一，经过坐标系统一后星敏感器的输出的数据即 为武器装备的姿态数据。 3 实验验证 3. 1测 量 精 度 分 析 依据上述原理设计了星敏感器作为测量单元，用 笔记本电脑作为上位机控制两个星敏感器进行姿态测 量，星敏感器把实时的三轴姿态测量数据传递到电脑， 经解算后可输出舰面设备位置处的基准偏差。两个星 敏感器设计在文献 45中有详细介绍，系统实物如图 5 所示。系统设计采用后处理的方法，两个星敏感器 进行时间同步，保证所采集到的星图为同一时刻。由 上位机发出采集指令，生成以时间为文件名的星图， 两个星敏感器分别对星图进行处理，提取出星像坐标 生成文件，并将文件传送到上位机进行姿态解算，进
16、 而对舰船武器系统进行标校。 图 5 姿态基准标校系统实物图 Fig.5 Attitude reference calibration system material 为了检验系统星敏感器的精度，首先利用差分工 作方式的电子水平仪 3建立地平坐标系水平面如图 6 所示，差分电子水平仪的最高精度能达到 0.2。 平面 由厚 12 mm 的光滑方形玻璃制成，能够保证表面足够 光滑以及有足够的刚度。在平面的四个方向有螺杆可 以调节高低 。标校时，将电子水平仪放置在所建立的 平面上，通过螺杆调整平面的水平度，使差分电子水 平仪的读数在垂直的两个方向读数均为，即使平面 横摇角和纵摇角均为 0。 将星敏感
17、器放置在建立的水平面上，对系统测量 精度进行检验。星敏感器拍摄时间为 2012 年 1 H 1 日 20h24m27s984ms 至 20h24m31sl56ms,拍摄地点为 东经1212340 ， 北 纬 383r20。 图 7 为 星 敏 感 器 在 20h24m27s984ms 时刻拍摄的星阁。 图 6 电子水平仪建立水平面实物图 Fig.6 Horizontal plane build by electronic level instrument 图 7 精度分析星图 Fig.7 Star image for precision analysis 经过星图处理后有 18 组星像点坐标如
18、表 1。图 8 为星体辨识结果，最后两列为星图中的星像坐标，通 过辨识可以得到星像对应星体的信息。其中有 6 组没 有辨识出，这是由于上述星像不满足构成星三角形的 表 1 星 像 坐 标 Tab.l Star image coordinates 序号 X Y 灰度值 1 463.250 522.000 170 2 308.667 492.167 99 3 609.125 480.250 199 4 245.125 372.452 123 5 407.944 369.630， 182 6 413.190 241.714 88 7 146.250 253.750 64 8 194.296 280.
19、685 143 9 375.850 279.333 243 10 142.250 205.000 88 11 614.733 214.000 136 12 239.902 163.804 204 13 625.500 152.867 91 14 538.357 130.429 128 15 95.190 111.238 96 16 501.133 95.867 73 17 759.140 68.912 181 18 286.785 6.667 229 第 2 期 张磊等 :舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法 279 图 8 星图处理 Fig.8 Star image processing 图
20、9 静态精度检验姿态数据 Fig.9 Static precision 条件，或者可信度没有达到最低门限，予以剔除。通 过和星空模拟软件 starry night 5.0 比对，上述辨识结 果完全正确。 利用 20h24m27s984ms 至 20h24m31sl56ms 时亥 IJ 拍摄星图的星像坐标以及辨识出星体的赤经、赤纬， 按照图2 的流程进行两个星敏感器的姿态解算如图 9, 图中显示了航向角、纵摇角以及横摇角的变化情况。 由图 9 可知，星敏感器输出的航向角平均值为 180.152，横摇角平均值为 0.0022，纵摇角平均值 0.0025。均方差表征了系统敏感器的姿态测量精度， 航向
21、角均方差为 9.00，横摇角均方差为 9.72%纵摇 角均方差为 8.64，结果表明：星敏感器的静态测量精 度优于1。 3.2 标校实例 将星敏感器依据上述与甲板坐标系统一的方法 对准完毕后，进行此标校方法的全系统坞内标校试 验 115。分别将系统的星敏感器放置于舰船武器装备 的不同位置处，以下为星敏感器在 2012 年 3 月 11 日 21h30m45s796ms 时刻，于东经 121。 2340，北纬 383130地点，拍摄的星图及处理得出的姿态数据。 图 10 为星敏感器 1 拍摄的星图及天体辨识结果。 图 10 星图及处理结果 Fig.10 Star image and proces
22、sing result 同一时刻，星敏感器 2 拍摄的星图及天体辨识结果如 图 11所示。 利用 21h30m45s796ms 时刻拍摄星图的星像坐标 以及辨识出星体的赤经、赤纬，按照图 2 的流程进行 两个星敏感器的姿态解算如图 12 所示，可知：星敏感 器 1 所放位置处的三轴姿态为航向角 95.2955，横摇 角 1.07942，纵摇角 1.32227;星敏感器 2 所放位置 处的的二轴姿态为航向角 94.4813，横摇角 1.85047， 纵摇角 0.66133。武器装备两个位置处的三轴姿态在 数值上相差为航向角48.85，横摇角 46.26，纵摇角 39.66，符合舰船装备实际情况。
23、由以上数据可以求得 两位置处三轴姿态转换欧拉角航向角 -0.8265,横摇角 0.0717，纵摇角 -0.9379，依据转换欧拉角可以对武 器装备姿态基准进行校正。 280 中国惯性技术学报 第 21 卷 图 11 星 图及处理结果 Fig. 11 Star image and processing result 图 12 姿态解算结果 Fig. 12 Attitude resolve result 4 结论 木文提出了一种基 T 恒星参考系的舰船武器装备 坞内标校方法，针对实际应用中的爭标系统一问题， 建立了转换模型，通过实验验证了此方法的精度以及 全系统实际标校效果。结果表明该方法可以实现
24、武器 装备基准的高精度测量，为舰船武器系统的坞内标校 提供了 一种简便操作方法。 参考文献 (References)： 1 朱昀炤，汪顺亭，缪玲娟 .船体变形测量技术综述 J. 船舶工程， 2007， 29(6): 58-61. ZHU Yun-zhao, WAGN Shun-ting, MI AO Ling-juan. Review of measuring technique for ship deformationJ. Ship Engineering, 2007,29(6): 58-61. 2 查月，李德彪，魏学通，等 .基于联合基座的天文 /惯 性组合测量系统的静态标校方法 J.中国
25、惯性技术学 报， 2007，15(6): 756-759. ZHA Yue, LI De-biao, WEI Xue-tong. Calibration method for celestial/inertial integrated measurement system based on united baseJ, Journal of Chinese Inertial Technology, 2007, 15(6): 756-759. 3 万德钧，刘玉峰 .消减舰船变形的影响和为全舰提供高 精度姿态基准 J.中国惯性技术学报， 2005, 13(4): 77-82. WAN De-jun,
26、 LIU Yu-fen. Summary on removing influence of ship deformation and providing accurate attitude references for warship J, Journal of Chinese Inertial Technology, 2005, 13(4): 77-82. 4 张磊，王安国，唐君，等 .基于恒星参考系的舰船武器 系统基准姿态测量方法 J.舰船科学技术， 2011， 33(9)： 74-77. ZHANG Lei, WANG An-guo, TANG Jun. Measuring method
27、 for warship weapon system reference attitude based on sidereal reference coordinatesJ.Ship Science and Technology,2011,33(9): 74-77. 5 Lei Zhang, Anguo Wang. Vessel surface equipment attitude measurement based on conventional inertial reference systemJ, Advanced Material Research, 2012, 629: 878-88
28、3. 6 WANG An-guo, Li Hui, WANG Yan, et al. A principle of astronomical three-dimensional position fixing based on single baseline radio interferometry J. Chinese Journal of Electronics, 2011,20(1):183-186. 7 WU Feng, et al. Design and simulation of a novel APS startrackerC/Proc.of SPIE. 2008, vol.71
29、56: 1S1-1S11. 8 Yang Yan-de, Wang Jiang-yun, Zhu Yu-tong. High-precision simulation of star map using forward ray tracing methodC/9th International Conference on Digital Object Identifier. 2009: 3-54-3-544. 9 张磊，王安国，李辉，等 .基于天顶观测的光学系统精 确标定方法 J.应用光学， 2012， 33(5): 855-861. ZHANG Lei, WANG An-guo? LI Hu
30、i, et al. Accurate calibration method for optical system based on zenith ob serration J. Journal of Applied Optics, 2012, 33(5): 855-861. 10 郑佳兴，秦石乔，王省书，等 .基于姿态匹配的船体形 变测量方法 J.中国惯性技术学报， 2010， 18(2): 175-180. ZHENG Jia-xing, QIN Shi-qiao, WANG Xing-shu. Attitude matching method for ship deformation me
31、asurement J. Journal of Chinese Inertial Technology, 2010, 18(2): 175-180. 11 Lee Seon-Ho, Ahn Hyo-Sung, Yong Ki-Lyuk. Three-axis attitude determination using incomplete vector observations J. Acta Astronautica, 2009,65(7): 1089-1093. 12 Guangjun Z, Wei X, Jiang J. Full-sky autonomous star identific
32、ation based on radial and cyclic features of star patternJ, Image Vision Computer, 2008,26(7): 891-897. 13 Randall C R, Speed J F, Blarre L. Design and development of the ball aerospace flexible space camera FSC-701 C/ Aerospace conference. IEEE, 2009: 1-7. 14 Yu Q? Jiang G, Fu S, et al. Fold-ray video metrics method for the deformation measurement of nonintervisible large structuresJ. Applied Optics, 2009,48(24): 4683-4687. 15 Sato S， Fujimoto I， Kurihara T， Ando S. Remote six-axis deformation sensing with optical vortex beamC/Proc. of the SPIE. 2008,V 1.6877: 687701-687708.