一种基于高精度天体观测的船舰编队时统方法、存储介质

技术领域

本发明涉及船舰控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于高精度天体观测的船舰编队时统方法、存储介质。

背景技术

天文定位原理概括而言就是：通过准确的世界时及所观测星体名称得到该星体的格林时角及赤纬，再结合天体高度值获得天文舰位圆从而实现定位。基于此原理，建立天文定位模型，初始参数为确定的星名、星体观测高度以及对应的观测世界时，可以计算出舰艇所处经纬度。

将天文定位模型进行转化，得到基于天体观测高度获得时间的计算方法。初始参数为精确的天体观测高度、天体名称、舰艇推算经纬度，可以计算出准确的世界时。舰艇根据所处经度和时区，便可获知本舰的地方时及区时。最后和实际的观测协调世界时比对，确定模型的准确性。模型的正确可以说明基于高精度天体观测的时统方法的可行性。实际过程中，只需要获得舰位信息、天体高度信息、天体名称，经过该模型的计算就可以得到对应的世界时。再通过海上实际观测数据和理论计算数据对该时间获取的计算方法进行验证，从而论证该时间获取手段的可行性。

传统的时间获取方法都过于依赖无线电信号，这种信号通过空气媒介，由接收机接收得到，本文的通过天体高度观测获取时间的方法则不需要依赖于其他传输手段就可以完成同样的工作，也就大大降低了被干扰的风险。

通过对舰艇部队时间获取方法及应用现状进行分析，现在并没有较好形成完善的时间统一系统和制度，舰艇部队对于舰艇时统系统的重视程度不够，一些设备的管理维护不到位，过于依赖卫星导航授时。就作战而言，对复杂电磁环境下的干扰手段，还没有形成有效的对抗方式。在未来战争中，如何能在受干扰的情况下获取准确的时间，从而保证联合作战的有效开展是一个决定战争成败的关键因素。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种基于高精度天体观测的船舰编队时统方法、存储介质。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于高精度天体观测的船舰编队时统方法，包括如下步骤：

S1、确定基于天体观测的舰艇时间获取方法，建立舰艇独立的时间获取方式；

S2、基于确定的基于天体观测的舰艇时间获取方法，建立电算化模型；

S3、计算时间获取误差，并基于时间变化以及纬度变化对时间获取误差进行分析，确定时间获取精度。

进一步地，所述步骤S1中，确定基于天体观测的舰艇时间获取方法，是运用天文定位原理的思路，反推计算出准确的世界时，计算原理如下：

根据观测时的天体赤纬、地方半圆时角和舰艇推算纬度解算天文三角形，得到准确的天体计算高度；

基于得到的天体计算高度，并结合舰艇经纬度，通过天文三角形解算天体赤纬和地方时角，根据确定的天体名得到准确的世界时；

舰艇根据所处经度和时区，获知本舰的地方时及区时。

进一步地，所述步骤S2的具体实现过程如下：

S21、由船上不够准确的船时T

S22、带入准确的经纬度以及查表所获得的天体赤纬值，计算得出T

S23、通过六分仪观测以及补充修正观测值，得出此时的真实观测高度h

S24、基于时间变化率，对步骤S21中天体计算高度h

S25、结合天文三角形的正弦公式，得到：

S26、将天文三角形的正弦公式以及步骤S25中得到的公式带入到步骤S21天体计算高度h

S27、将高度的变化量dh表示为如下形式：

S28、根据步骤S25中得到的公式，得到地方半圆时角的变化量dt：

S29、结合天文三角形的正弦公式、步骤S26得到的公式、步骤S27得到的公式以及步骤S28得到的公式，计算得到地方半圆时角的变化量dt，如下：

其中，地方半圆时角的变化量dt并非直接是时间的变化，在实际计算过程中需要转换单位；

S30、利用迭代与循环，精确计算真实时间T

T

T

其中，dT＝4×dt，dT取决于初始时间，随着T

进一步地，所述步骤S3中，计算时间获取误差，具体如下：

进一步分析步骤S28中得到的地方半圆时角的变化量dt；

考虑观测时的高度h

进一步地，所述步骤S3中，基于时间变化对时间获取误差进行分析，具体如下：

当纬度一定时，时间误差跟随太阳方位也跟随时间变化而变化，当太阳方位接近3.14弧度时，在正午时间误差最大，除此时间段之外，时间误差均在10秒以内，满足实际应用的需要。

进一步地，所述步骤S3中，基于时间变化对时间获取误差进行分析，得到如下结论：

时间的变化在太阳上的体现是太阳方位A的变化，根据时间获取误差DT，由于太阳方位A在白天的变化范围为90°到270°，所以仅考虑时间变化的前提下，可知在每天正午前后观测产生的误差对时间获取误差影响较大。

进一步地，所述步骤S3中，基于纬度变化对时间获取误差进行分析，具体如下：

时间获取误差在同一天观测时间一定的情况下，图像从两极逐渐趋向赤道，时间获取误差值呈现出减小趋势，即在同等条件下越接近赤道时间获取误差越小。

进一步地，所述步骤S3中，基于纬度变化对时间获取误差进行分析，得到如下结论：

测者纬度的变化影响式即步骤S28中地方半圆时角的变化量dt公式，地方半圆时角的变化量dt公式中的

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述基于高精度天体观测的船舰编队时统方法。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于高精度天体观测的船舰编队时统方法，通过对传统天文定位中天文三角形的解算，利用数学反向推导以及迭代计算的方法，验证了此方法的可行性。根据实例验证，当观测位置以及时间恰当的时候，观测精度出现1′误差，其授时精度可以保持在5″以内，对该数学模型进行解算，获得时间误差趋势图，针对误差的影响因素进一步分析可知：该技术应用范围广，仅需避免在高纬度地区、正午前后使用该技术，便可获得较高的时间精度。

2、本发明提出一种全新的独立自主的时间获取手段，不受信号干扰等影响，能够保障海军作战时间统一。

3、本发明提供的基于高精度天体观测的船舰编队时统方法，通过初始数据录入，能够准确获得世界时信息，通过实测数据的对比，能够验证该模型拥有较高且可靠的精度和准确性。

4、本发明提供的基于高精度天体观测的船舰编队时统方法，对于形成完善的时间统一系统和制度以及海军协同作战意义重大，能够广泛应用于舰艇编队运动以及偏远海岛等各种海军作战单元，从而为我军作战提供有力保障。

基于上述理由本发明可在船舰控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例提供的时间获取误差随纬度及方位变化示意图。

图3为本发明实施例提供的时间获取误差随太阳方位的变化示意图。

图4为本发明实施例提供的时间获取误差随纬度的变化示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种基于高精度天体观测的船舰编队时统方法，包括如下步骤：

S1、确定基于天体观测的舰艇时间获取方法，建立舰艇独立的时间获取方式；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，确定基于天体观测的舰艇时间获取方法，是运用天文定位原理的思路，反推计算出准确的世界时，计算原理如下：

根据观测时的天体赤纬、地方半圆时角和舰艇推算纬度解算天文三角形，得到准确的天体计算高度；

基于得到的天体计算高度，并结合舰艇经纬度，通过天文三角形解算天体赤纬和地方时角，根据确定的天体名得到准确的世界时；

舰艇根据所处经度和时区，获知本舰的地方时及区时。

S2、基于确定的基于天体观测的舰艇时间获取方法，建立电算化模型；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，通过观测天体高度获取时间的方法适用于各种常用的航用天体，通过数学模型的推导，从而验证该方法的理论可行性。所述步骤S2的具体实现过程如下：

S21、由船上不够准确的船时T

S22、带入准确的经纬度以及查表所获得的天体赤纬值，计算得出T

S23、通过六分仪观测以及补充修正观测值，得出此时的真实观测高度h

S24、基于时间变化率，对步骤S21中天体计算高度h

S25、结合天文三角形的正弦公式，得到：

S26、将天文三角形的正弦公式以及步骤S25中得到的公式带入到步骤S21天体计算高度h

S27、将高度的变化量dh表示为如下形式：

S28、根据步骤S25中得到的公式，得到地方半圆时角的变化量dt：

S29、结合天文三角形的正弦公式、步骤S26得到的公式、步骤S27得到的公式以及步骤S28得到的公式，计算得到地方半圆时角的变化量dt，如下：

其中，地方半圆时角的变化量dt并非直接是时间的变化，在实际计算过程中需要转换单位；

S30、利用迭代与循环，精确计算真实时间T

T

T

其中，dT＝4×dt，dT取决于初始时间，随着T

S3、计算时间获取误差，并基于时间变化以及纬度变化对时间获取误差进行分析，确定时间获取精度。

下面将结合真实观测的一组数据与假设的多种情况对此算法的误差进行进一步的分析与研究。对于本发明方法中时间获取精度的影响，将从测者观测位置，观测时间等条件加以讨论，由于各类天体众多，相比较下，对于太阳的观测精度影响研究更加典型也更为常用，故以太阳为例，讨论各项因素的改变对于时间获取精度的影响，其他天体也可参照此研究方法。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，计算时间获取误差，具体如下：

进一步分析步骤S28中得到的地方半圆时角的变化量dt；

考虑观测时的高度h

由于真实情况下，真实时间不可知，在误差分析时，先假定真实时间T

把观测纬度、观测时间以及观测精度这三个变量放在一张图中进行研究与分析，根据所编写的代码，可以获得误差随纬度以及方位变化规律的三维图，如图2所示，根据图2可以明显看出，本发明所提时间获取方法的精度误差受到观测时间以及观测位置的影响。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，基于时间变化对时间获取误差进行分析，具体如下：

根据图3分析得出：当纬度一定时，时间误差跟随太阳方位也跟随时间变化而变化，当太阳方位接近3.14弧度时，在正午时间误差最大，除此时间段之外，时间误差均在10秒以内，满足实际应用的需要。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，基于时间变化对时间获取误差进行分析，得到如下结论：

时间的变化在太阳上的体现是太阳方位A的变化，根据时间获取误差DT，由于太阳方位A在白天的变化范围为90°到270°，所以仅考虑时间变化的前提下，可知在每天正午前后观测产生的误差对时间获取误差影响较大，印证了图3的结论。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，基于纬度变化对时间获取误差进行分析，具体如下：

如果仅考虑纬度变化因素对于时间精度的影响，得到图4，由图4分析得出：时间获取误差在同一天观测时间一定的情况下，图像从两极逐渐趋向赤道，时间获取误差值呈现出减小趋势，即在同等条件下越接近赤道时间获取误差越小。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，基于纬度变化对时间获取误差进行分析，得到如下结论：

测者纬度的变化影响式即步骤S28中地方半圆时角的变化量dt公式，地方半圆时角的变化量dt公式中的

实施例

为了验证本发明方法的有效性，在单舰航行期间进行了一系列的太阳高度观测，获取足够的实测数据，主要有观测时的准确世界时、观测时卫星导航设备提供的准确经纬度以及一系列误差不均的实际观测数据，整理出了部分较有代表性的数据，得到如下表格：

实测数据统计表

根据表格可以得出结论：此次训练所航行区域处于中纬度地区，短时间内位置变化不明显，不过对比时间误差与观测高度误差，可以发现，人为使用六分仪对太阳高度进行观测的手段，对于未经过长期高频次训练的人来说精度不够高，但即使如此时间误差仍然可以保证在十秒以内，可以说对于太阳高度观测获取时间的方法在实际训练中是完全可以使用的，并且根据误差分析可知，太阳高度越低，所获得的时间误差越小。

实施例2(想定假设分析)

由于单舰航行期间的观测数据不够全面，单舰航行海域跨纬度范围有限，天气条件影响观测时间也受限，无法得出较为全面的结论。因此做出如下假设：

假定当时间处在2021年5月23日，航行于某海区，对某个真实时间已知的时刻的太阳高度进行观测，出现如下几种情况：

(1)我舰处于(11°N，121°E)(低纬度)时，用真实的时间查算出太阳的真高度，同时对真高度人为调整误差为1分(观测人员六分仪观测常出现误差中的较大误差)，并带入本算法中计算，得出结论：当天体高度观测出现1分误差时，时间计算误差在船时11h30m～12h30m之间误差超过10秒。

(2)我舰处于(39°N，121°E)(中纬度)时，同(1)法，得出在船时11h15m～12h45m之间误差超过10秒。

(3)我舰处于(59°N，121°E)(高纬度)时，同(1)法，得出在船时09h45m～14h30m之间误差超过10秒。

根据假定情况，可以获得如下结论：本发明方法对于太阳而言，一是由于太阳中天前后误差较大，实际观测不适用于此时间段；二是测者纬度越高，时间误差相对增大。因此建议避免在高纬度地区、中天前后使用该方法。对于各种其他常用航用天体而言，注意事项同上。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。