水平式经纬仪坐标转换的研究与应用

　　用于对运动目标跟踪测量的光电经纬仪有多种形式,从轴系类型分类有:地平式、赤道式、水平式[1].其中地平式光电经纬仪应用较为广泛,赤道式经纬仪主要用于天文观测.对于水平式光电经纬仪由于在测量高仰角的运动目标轨迹,特别是实现对人造地球卫星的跟踪测量具有很好的跟踪性能[1],在天顶处无跟踪盲区.根据激光反卫星实际应用的要求,需要跟踪干扰仰角在86°以上的卫星,所以必须采用水平式的跟踪架.水平式光电经纬仪的机械轴系主要由经轴和纬轴组成,因两轴线均平行于大地水平面,人们称之为水平式结构.图1为水平式光电经纬仪原理示意图.

　　1　船摇坐标转换理论的概述

　　由于船体受海浪影响,舰载光电跟踪系统会发生周期性摇摆(横摇、纵摇、艏摇)如图2所示,使视轴晃动,造成图像模糊,甚至丢失目标.为准确跟踪目标,减小载体运动给跟踪瞄准带来的扰动误差,须建立一稳定系统将光电跟踪仪视轴与基座扰动隔离,达到输出视轴“稳定”在惯性空间方向.为达到这一目的,

　　首先,把目标的大地坐标转换到甲板坐标系;其次,把三轴船摇速度等效到视轴的方位、俯仰的速度值.这样就实现了船载电视经纬仪的视轴稳定.利用第一步目标的大地坐标转换到甲板坐标系的原理来推导水平式经纬仪的坐标:如图2运动坐标系,Zc⊥地平,Xc轴指向正北,Yc指向右弦,绕Xc轴旋转的为横摇,绕Yc旋转的为纵摇,绕Zc旋转的为艏摇.推导过程是将甲板面向纵摇正转过90°,Zc指向变为水平方向指“南”,即水平式的经轴,原高低方向随经轴转90°变为纬轴.经轴的零点在水平位置、纬轴的零点指向天顶.经纬轴角度正负判断如下:经轴方向顺着经轴方向面向北,顺时针为"+",逆时针为“-”;纬轴方向从天顶方向转向经轴“+”向为“+”,从天顶转向经轴“-”方向为“”-.

　　2　船摇坐标转换在水平式经纬仪中的应用仿真

　　在应用比较广泛的地平式经纬仪中,由大地坐标到地平式的坐标转换已经非常成熟.但是,由大地坐标到水平式的坐标转换我所是第一次.由第2节船体运动规律和大地坐标系的关系分析可知:只要把船摇公式中的纵摇取90°,横摇和艏摇为0°即得水平式经纬仪的坐标系.转换过程如图3所示.

　　A过程是人们熟悉的由大地坐标系到地平式极坐标的转换过程[2]

　　B过程是通过甲板坐标转换[3]过程实现的,具体转换公式如下:

　　式中:ps为纵摇;sa为横摇;k为艏摇;A,E为目标地平式的极坐标;Lx,Ly,Lz为甲板直角坐标;L,B为甲板极坐标即水平式的极坐标.