经纬仪航向误差辅助判读技术在交会对接任务中的应用研究

作者:孙昊;周海渊;姜永刚;吴旭贤 刊名:科学技术与工程 上传者:卢小玲

【摘要】交会对接海上测控任务时间长,测量船航向数据精度要求高,对作为测量船航向精度基准的标校经纬仪系统受天气的影响大、在海上风云变幻情况下,标校经纬仪测量电视经常出现无法正常获取航向误差数据的情况。针对上述问题,提出了两种新型航向误差辅助判读方法,为测量船高质量完成交会对接任务提供了有力保障。

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随着航天测控技术的发展,以交汇对接为代表的测控任务对测量船的测量精度的要求越来越高,标校经纬仪作为测量船航向精度的基准,该设备通过天文测量原理提供的惯导航向误差[1]信息直接影响到海上测控的精度。然而在恶劣海况,天气多变,任务时间跨度长等多种客观条件的影响下,经纬仪作为光学设备,其全天候实时[2]工作性能受到严重制约。在海上测控任务中,曾经多次出现由于云层存在,天空背景与星体对比不明显,进而导致经纬仪测量电视出现只能“看到”但无法正常捕获恒星目标的情况,标校经纬仪无法获取有效数据,测量船航向精度[3]缺乏保障。根据测星的原理出发,分析了标校经纬仪测量电视获取航向误差数据的计算方法,在理论上提出了辅助判读的可行性,最后使用两种具体的方案实现了具体的应用。1经纬仪测星局限性及测星法优缺点1.1经纬仪测星的局限性由于经纬仪自身的性能问题,使其测星能力受到局限,从而对实际工作产生了不小的影响。通过分析,确定其影响因素主要有以下几点。(1)在阴天薄云等不良气象条件下,目标星体相对亮度不足,与背景噪音信号尤其是与高低空薄云所成图像相比易被覆盖[4]。(2)大气湍流运动使大气的局部折射率产生的时间、空间随机起伏,对天体辐射产生调制。大气抖动破坏天体的成像质量,降低像点的照度和对比度。(3)探测器件灵敏度和对信号的处理技术不足,很大程度限制了经纬仪的测星能力。综合以上几点,直接导致电视测量系统经常只能“看到”但捕获不到目标星体,不能提供有效的脱靶量,达不到测量船确定航向的精度。1.2几种测星法优缺点(1)传统测星法通过经纬仪主镜光学系统测量目标星体[5],并在软件的配合下完成脱靶量数据的录取。其优点是可以通过数据处理方法,避免由于船摇造成的动态测量误差,但不可避免地存在上文中描述的几种不足之处。(2)标尺直接判读技术是在传统经纬仪的基础之上形成,当经纬仪测星受到影响即只能观测到目标星体时,采用该种方式判断航向误差数据。最大的优点是目标“可见”即可测。但该方法易受到船摇造成的动态测量误差影响,且数据处理采用人工读取,存在读数误差和标尺误差。(3)数字图像判读法同样是针对目标星体可观测但不可测量情况为出发点。该方法通过采用数字技术对标尺和读数精确化。相对以上两种方法具有测量星体亮度范围大,数据判读准确和不易受操作人员人为因素影响的特点。该方法也存在受船摇造成测量误差的影响。2航向误差辅助判读技术2.1经纬仪测量电视航向误差数据获取原理理论基础标校经纬仪测量电视获取航向误差[6]数据原理如图1所示。图1测星模拟图2.2.1标尺直接判读技术数字图像判读技术使用/mm为计量单位。在码头静态条件下,通过经纬仪测星获取此时航向误差数据的同时,用刻度尺测量方位和俯仰脱靶量。经过多次测量得到求取平均数据,得到该方法常值R=3.565/mm。在实际应用中,如果测量电视无法捕获恒星,只需要用刻度尺测量出恒星的脱靶量为多少厘米,然后乘以常值R即可得到此时的航向误差数据。具体比较结果如表1所示。表1标尺直接判读结果与测星结果比对表传统测星标尺直接判读选星/实测数最高星等航向差/()选星/实测数最高星等航向差/()设A为目标恒星,X为方位脱靶量,Y为俯仰脱靶量,D为像素距离或标尺直接判读技术中所代表的刻度尺,航向误差计算方法如公式1所示。A=DRK=A/cos{E(1)式(1)中,R为计算常值。在两种航向误差辅助判读方案中唯一区别在于R的获取方法不同和D的计量单位不同,下面分别进行详细介绍。2.2工程实现方法工程实现方法:标校经纬仪在码头静态情况下,在星库中选一颗星等较高的恒星,通过标校经

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