遙測設備無依托定位與定向方法研究

（太原衛星發射中心，山西忻州 036300）

0.引言

隨著國家航天發射能力的不斷提升，對測控設備的應用及機動能力提出了更高的要求。傳統方式下，測控設備完成任務需要依托的附屬條件較多：設備場坪、點位大地成果、方位標、標校塔等。其中，點位大地成果和方位標值的獲取需協調大地測量人員進行測量，存在測量過程復雜、結果輸出慢、基礎建設需要一定的費用等問題[1]。這些問題與測控設備無依托方式下參加快速機動任務已不相適應，極大阻礙和限制了測控設備無依托作戰樣式的應用。

本方法主要是在遙測設備無依托方式下參加快速機動任務時，通過手持定位儀器對設備點位大地成果進行測量以達到設備定位的要求，利用北極星及“兩點定向法”對設備進行指北修正以達到設備定向的要求。上述方法的運用，可以實現遙測設備無依托方式下設備定位與定向，大幅縮減準備時間、建設費用、作戰力量等的投入，極大提高遙測設備的無依托作戰能力。

1.無依托定位

遙測設備無依托方式下定位，主要是利用手持定位儀器對天線轉軸中心點的經度、緯度和高程進行測量。根據手持定位儀器的精度，計算定位誤差引起設備跟蹤目標時的角度偏差值，當該偏差值滿足設備自跟蹤指標要求時，可以用此種方法進行設備定位[2]。具體實現方法如下：

手持定位儀器選擇集思寶G390，定位精度≤5m。假設，天線轉軸中心點的定位誤差為最大值5m。如圖1所示，目標飛行過程中與天線轉軸中心點的距離越小時，定位誤差引起的角度偏差值越大。反之偏差值越小。

圖1 定位誤差引起角度偏差示意圖

圖中：F點為目標飛行過程中的某點，S點為天線轉軸中心的真實位置，S1點為手持定位儀器測量的天線轉軸中心點位置（最大偏差5m），A為目標至天線轉軸中心點的距離。由圖可知，定位誤差引起的角度偏差為α，其值等于角β，即：

α=β=tan-1（5/A）

當α=β=arctan（5/A）=1.05°時，可以得出：當目標飛行過程中與天線轉軸中心點之間的距離大于272.8m時，定位誤差引起設備角度的變化均小于1.05°，滿足設備自跟蹤指標要求。

實際過程中，遙測設備與目標的距離通常大于2000m，因此遙測設備定位可采用同精度的手持定位儀器進行測量。

2.無依托定向

遙測設備無依托方式下定向，可采用兩種方法：一是利用軟件查詢北極星相對于天線轉軸中心點的方位角和俯仰角，從而以北極星為方位標進行設備定向；二是通過測量參考物（建筑物、樹木等）和天線轉軸中心點的經度、緯度和高程，計算參考物相對于天線轉軸中心點的方位角和俯仰角，當測量誤差引起的角度偏差滿足設備自跟蹤指標要求時可用此種方法進行設備定向。

2.1 利用北極星進行設備定向

利用北極星進行設備定向，即使用天文軟件實時獲取北極星相對于天線轉軸中心點的方位角和俯仰角，利用該方位角和俯仰角即可完成設備定向。如圖2所示。

圖2 某天文軟件界面

具體方法：

第一步，利用天文軟件獲取北極星相對于天線轉軸中心點的方位角和俯仰角，并將天線俯仰轉至該俯仰角；

第二步，朝北極星方向轉動天線方位，當北極星、人眼均在天線垂直方向龍骨的平面上時，停止轉動天線；

第三步，從望遠鏡中觀測北極星，當未在視場內發現北極星時，方位左右掃描（一般不超過10°），直至發現北極星，而后轉動天線將北極星置于望遠鏡正中心。讀取此時的天線角度，結合天文軟件實時顯示角度，計算設備指北修正值；

第四步，重復3～5次，減少人為誤差，提高測量精度，完成設備定向。如圖3所示。

圖3 利用北極星進行設備定向示意圖（背面、側面）

2.2 利用“兩點定向法”進行設備定向

利用“兩點定向法”進行設備定向，即利用手持定位儀器測量參考物和天線轉軸中心點的經度、緯度和高程，經過坐標轉換與軟件編程，計算出參考物相對于天線轉軸中心點的方位角和俯仰角，當測量誤差引起的角度偏差在設備允許范圍內時，利用該方位角即可完成設備定向。

手持定位儀器選擇集思寶G390，定位精度≤5m。假設，天線轉軸中心點與參考物定位誤差均為最大值5m。如圖4所示，參考物與天線轉軸中心點的距離越小，定位誤差引起的角度偏差值越大。反之偏差值越小。

圖4 定位誤差引起角度偏差示意圖

S點為天線轉軸中心的真實位置，S1點為手持定位儀器測量的天線轉軸中心點位置（最大偏差5m），C點為參考物的真實位置，C1點為手持定位儀器測量參考物的位置（最大偏差5m），A為參考物至天線轉軸中心點的距離。由圖可知，定位誤差引起參考物相對于天線轉軸中心點的角度偏差為α，即：

α=tan-1（10/A）

以某一遙測設備為例，根據設備自跟蹤指標要求的最大角度偏差值進行計算：

當α=arctan（10/A）=1.05°時，可以得出：當參考物與天線轉軸中心點之間的距離大于545.6m時，定位誤差引起參考物相對于天線轉軸中心點的角度變化值均小于1.05°，滿足設備自跟蹤指標要求。

3.理論比對與需求比對

3.1 理論比對

根據理論計算，無依托方式與傳統方式下的遙測設備定位與定向理論偏差如表1所示。

表1 兩種方式的理論偏差比較

從表1可以看出，雖然無依托方式下遙測設備定位與定向偏差均大于傳統方式下的偏差，但均在設備自跟蹤指標要求內。所以，當遙測設備在無依托的情況下參加快速機動任務時，可利用手持定位儀器對天線轉軸中心點的經度、緯度和高程進行測量，用作設備站點大地成果值。同時，可以根據實地情況選擇北極星或者“兩點定向法”進行設備定向，滿足任務要求。

3.2 需求比對

根據工作實際，無依托方式與傳統方式下的遙測設備定位與定向需求比較如表2所示。

表2 兩種方式的需求比較

從表1可以看出，該方法通過利用手持定位儀器對遙測設備進行設備定位，利用北極星及“兩點定向法”進行設備定向，可以實現遙測設備無依托定位與定向，大幅縮減建設費用、準備時間、作戰力量等的投入，可以全面提升遙測設備無依托作戰能力。

4.實際應用效果

4.1 海態區域應用情況

根據海試狀態要求，遙測設備需機動至某海域附近在無依托方式下參加此次任務。到達預定海域后，面對全新的作戰環境、任務時間臨近、無方位標及點位大地成果等現實情況，同時面對天文墩、方位標等的建設需要協調地方部門，協調難度大、建設費用高、耗時長，且未安排專項經費等困難。設備人員立足現實，科學統籌，精心準備，大膽實踐探索和應用。利用1h，通過手持定位儀器進行了設備定位測量；通過距離分別為795m和1027m的兩處建筑物，采用“兩點定向法”進行了設備定向測量。利用0.5h，再次通過北極星對設備定向進行了測量。綜合考慮參考物距離較近時測量誤差引起的角度偏差較大，設備定向優先考慮北極星修正值。期間遙測設備以訓練形式參加衛星跟蹤測量任務，實時過程中設備跟蹤穩定，任務執行圓滿，角度偏差約為0.13°。臨近任務期間，崗位人員再次通過北極星進行設備定向修正，至正式參加海上發射任務時，設備跟蹤穩定，任務執行圓滿，角度偏差約為0.09°。角度偏差曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 傳統方式下的角度偏差曲線（約0.05°）

圖6 某衛星任務角度偏差曲線（約0.13°）

圖7 海態發射角度偏差曲線（約0.09°）

4.2 陸基區域應用情況

根據陸基區域衛星任務要求，遙測設備需機動至某點位執行任務。由于前期預設點位理論彈道內有大量遮擋，遙測設備被迫轉移至無大地成果及配套方位標的無依托點位。時間臨近，且周邊沒有滿足條件的建筑物可以用來進行設備定向。設備恢復后崗位人員短時間內，通過手持定位儀器進行了設備定位測量，通過北極星進行了設備定向測量。實時任務中設備跟蹤穩定，任務圓滿完成，角度偏差約為0.1°。角度偏差曲線如圖8所示。

圖8 海態任務角度偏差曲線（約0.1°）

通過上述任務執行情況及角度偏差曲線，可以看出遙測設備無依托定位與定向方法在實時任務應用中與傳統方式差別不大，實時過程中設備跟蹤穩定，任務執行圓滿，效果良好，滿足遙測設備無依托要求。

5.結語

該方法目前已在遙測設備上進行了3次實戰應用，大幅縮減了準備時間、建設費用、作戰力量等的投入。通過提高定位精度、增加相對距離等方式，可以對測控設備無依托方式下的定位與定向精度有一定程度的提高，使其達到其他遙測、外測和安控設備等的指標要求，用以保證測控設備完成無依托方式下的任務。該方法的擴展應用，可以全面提升遙測設備無依托作戰能力。