靶場船只航向測量設(shè)備校準(zhǔn)方法的研究*

黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

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靶場船只航向測量設(shè)備校準(zhǔn)方法的研究*

黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

針對(duì)我國靶場船載航向測量設(shè)備校準(zhǔn)需求，提出一種高效、便捷、通用的校準(zhǔn)方法，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)過程，進(jìn)一步提高了我國試驗(yàn)靶場的綜合測試水平和能力，為靶場各型水下武器試驗(yàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)保障。

靶場船只; 航向測量設(shè)備; 通用校準(zhǔn)方法

Class Number U666

1 引言

在靶場試驗(yàn)過程中，為了保證船只船載航向測量設(shè)備在長期使用中航向測量功能正常，測量精度滿足試驗(yàn)要求，需要對(duì)船只上航向測量設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)。目前，在國外對(duì)于航向角測量設(shè)備的標(biāo)校有著相對(duì)成熟的技術(shù)，而國內(nèi)靶場對(duì)于船只航向測量設(shè)備的標(biāo)校還未形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)規(guī)范，更沒有通用的校準(zhǔn)裝置。對(duì)于船只上航向角測量設(shè)備的校準(zhǔn)有提出的方法各異，主要有全站儀與天文定向法結(jié)合，激光測距儀與經(jīng)緯儀結(jié)合，慣導(dǎo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)合等方法進(jìn)行航向測量設(shè)備的標(biāo)校[1～3]。這些方法從理論或者仿真實(shí)驗(yàn)都能進(jìn)行精度較高的航向標(biāo)校，但存在以下問題：

1) 全站儀與天文定向法結(jié)合，該方法在使用的條件上有一定的限制，且實(shí)施過程較為復(fù)雜[4～6]；

2) 激光測距與經(jīng)緯儀結(jié)合，該方法不能進(jìn)行高精度標(biāo)校，且只能做靜態(tài)標(biāo)校，而船只實(shí)際使用大多都是在動(dòng)態(tài)的情況，故該方法不具備全面性；

3) 慣導(dǎo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)合，該方法操作復(fù)雜，且耗時(shí)。

綜上所述，船載航向測量設(shè)備作為引導(dǎo)船只航行、就位的重要測量設(shè)備，尤其在我國靶場各型產(chǎn)品的試驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用，為此，對(duì)船載航向測量設(shè)備進(jìn)行定期準(zhǔn)確的校準(zhǔn)顯得尤為重要。對(duì)于測量設(shè)備的定期校準(zhǔn)問題上，現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法存在整體校準(zhǔn)方案實(shí)施較為復(fù)雜，校準(zhǔn)過程中所使用的設(shè)備搬移、裝卸難度大，建設(shè)成本高，效率低，對(duì)于大量需要校準(zhǔn)的船載測量設(shè)備，不具備通用、便捷性。因此，本文提出一種高精度靶場試驗(yàn)船只航向測量設(shè)備誤差校準(zhǔn)方法，采用慣性/衛(wèi)星組合航向測量設(shè)備與高性能計(jì)算機(jī)結(jié)合的方式，形成一套便攜式校準(zhǔn)設(shè)備，使靶場試驗(yàn)船只航向測量現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)更具通用性、便捷性，同時(shí)也進(jìn)一步提高我國試驗(yàn)靶場的綜合測試水平和能力。

2 船載航向測量設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)方案研究

考慮到靶場對(duì)船只航向的測量均是在動(dòng)態(tài)的情況，同時(shí)安裝在船只上的航向測量設(shè)備的拆卸、安裝較為復(fù)雜，為了更加準(zhǔn)確地對(duì)靶場試驗(yàn)船只航向測量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)擬采用原位校準(zhǔn)方案，即在不改變?cè)O(shè)備的位置的情況下對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，原位校準(zhǔn)將建立在實(shí)際使用情況下進(jìn)行。

該現(xiàn)場校準(zhǔn)方案主要由校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)兩部分組成，校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)由校準(zhǔn)裝置、校準(zhǔn)軟件及相關(guān)設(shè)備組成[7]?，F(xiàn)場校準(zhǔn)方案主要內(nèi)容如下：

1) 針對(duì)靶場試驗(yàn)船只航向測量設(shè)備的原位校準(zhǔn)，并考慮到一些新型產(chǎn)品試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)船只航向精度具有更高要求(航向精度0.1°)，選擇一款對(duì)航向測量精度為0.01°高精度專用航向測量設(shè)備，設(shè)計(jì)一種通用、便捷的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)船載航向測量設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

2) 為了保證校準(zhǔn)裝置測量數(shù)據(jù)的有效性，針對(duì)校準(zhǔn)裝置的船上安裝，設(shè)計(jì)一種對(duì)校準(zhǔn)裝置安裝位置進(jìn)行簡單快捷的校準(zhǔn)方法。

3) 研制專用校準(zhǔn)軟件，對(duì)現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并現(xiàn)場給出校準(zhǔn)結(jié)果，使校準(zhǔn)工作效率提高。

現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置運(yùn)用現(xiàn)代測控理論與虛擬儀器技術(shù)[8]，參考國家相關(guān)檢定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船載航向測量設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)?，F(xiàn)場校準(zhǔn)裝置組成圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置組成圖

校準(zhǔn)裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，使供電模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、慣性/衛(wèi)星組合航向測量設(shè)備及計(jì)算機(jī)集成在一個(gè)便攜式機(jī)箱內(nèi)，具有攜帶移動(dòng)方便、使用靈活等特點(diǎn)。進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，只需將校準(zhǔn)裝置安裝在船只甲板上，使裝置中航向測量設(shè)備的天線的中心位置投影在船只結(jié)構(gòu)的中心線上即可，然后分別將天線的饋線和船載式航向測量設(shè)備的數(shù)據(jù)線接入校準(zhǔn)設(shè)備的機(jī)箱便可實(shí)現(xiàn)對(duì)船載航向測量設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)。對(duì)于船載航向測量設(shè)備的校準(zhǔn)，采用產(chǎn)品試驗(yàn)搭載的方式進(jìn)行，即在船只出航試驗(yàn)的時(shí)候，分別對(duì)該設(shè)備進(jìn)行航行和漂泊兩種形式的校準(zhǔn)，這樣使校準(zhǔn)精度、校準(zhǔn)效率得到充分保證。校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場安裝示意圖如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場安裝示意圖

3 船載航向測量設(shè)備校準(zhǔn)裝置的研制

校準(zhǔn)裝置的研制主要有校準(zhǔn)裝置的安裝位置校準(zhǔn)技術(shù)研究和專用現(xiàn)場校準(zhǔn)軟件的研制兩方面的內(nèi)容，以下將對(duì)這兩方面的內(nèi)容做詳細(xì)的介紹。

3.1 校準(zhǔn)裝置的安裝位置定位技術(shù)研究

為了實(shí)現(xiàn)船載航向測量設(shè)備高精度的現(xiàn)場校準(zhǔn)，必須要對(duì)校準(zhǔn)裝置的安裝位置進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。由于校準(zhǔn)裝置所測量船只航向的測量值的準(zhǔn)確度主要受裝置中航向測量設(shè)備的天線安裝位置的精度的影響，因此，這里主要對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備天線安裝位置進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)示意圖如圖3所示。對(duì)船載航向測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)備的天線安裝，使天線的中心點(diǎn)(A)投影在船體結(jié)構(gòu)中心線上，以盡可能地避免校準(zhǔn)設(shè)備測量值因天線安裝帶來的測量誤差。在天線安裝之前，首先，在天線的邊沿找一個(gè)點(diǎn)(如B點(diǎn))，使B點(diǎn)與中心點(diǎn)A連接，并延長BA至天線的圓邊，交于C點(diǎn)，從而確定了中心點(diǎn)A的直線BC。在天線安裝的過程中，采用電子水平儀與垂直儀結(jié)合的方法對(duì)天線將要進(jìn)行安裝的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)，使直線BC與船體中心線保持在一個(gè)垂直面上，確保天線中心點(diǎn)A在船體中心線的投影點(diǎn)為A′點(diǎn)，從而使校準(zhǔn)設(shè)備所測量的船只航向值更為精確。

圖3 校準(zhǔn)設(shè)備天線安裝校準(zhǔn)示意圖

3.2 專用現(xiàn)場校準(zhǔn)軟件的研制

研制與現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置相匹配的專用校準(zhǔn)軟件，軟件在Visual C++ 6.0軟件開發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)[9]，該軟件主要實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的記錄與對(duì)比、現(xiàn)場校準(zhǔn)的修正以及校準(zhǔn)證書的打印等功能。

通過對(duì)船載航向測量設(shè)備的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)設(shè)備的測量數(shù)據(jù)和船載航向測量設(shè)備的測量數(shù)據(jù)同時(shí)傳送至校準(zhǔn)軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備與被校準(zhǔn)設(shè)備測量值進(jìn)行同一時(shí)刻對(duì)比，得出船載設(shè)備測量誤差。由于船載設(shè)備位置安裝的原因會(huì)引起船載設(shè)備測量值與真值之間有固定的偏差，因此，當(dāng)初次對(duì)船載設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需先計(jì)算出船載設(shè)備測量值的固定偏差，并把該固定偏差帶入船載設(shè)備測量值進(jìn)行修正后，才能進(jìn)行船載設(shè)備測量誤差的計(jì)算。

初始校準(zhǔn)固定偏差與測量誤差計(jì)算公式如下：

(1)

其中：λ為固定偏差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測量值，Bi為被校準(zhǔn)設(shè)備測量值。

(2)

其中σ為船載設(shè)備測量誤差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測量值，Bi被校準(zhǔn)設(shè)備測量值。

經(jīng)初始校準(zhǔn)后，被校準(zhǔn)設(shè)備測量誤差計(jì)算公式如下：

(3)

其中σ為船載設(shè)備測量誤差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測量值，Bi被校準(zhǔn)設(shè)備測量值。

4 校準(zhǔn)裝置測量誤差分析

由于垂直儀和高精度慣性/衛(wèi)星組合測量設(shè)備測量結(jié)果都是通過數(shù)值進(jìn)行顯示,且設(shè)備顯示分辨率為0.001mm和0.001°，在讀數(shù)過程中認(rèn)為人為讀數(shù)誤差分別為0.001mm和0.001°，故讀數(shù)引起不確定度分別為0.0006mm和0.0006°。因此，垂直儀測量結(jié)果不確定度Ua為

高精度慣性/衛(wèi)星組合測量設(shè)備測量結(jié)果不確定度Ub為

在對(duì)船載航向測量設(shè)備校準(zhǔn)過程中，對(duì)于校準(zhǔn)裝置安裝位置測量結(jié)果的不確定度來源于垂直儀，故校準(zhǔn)裝置安裝位置測量結(jié)果的不確定為0.00603mm；而對(duì)于校準(zhǔn)裝置航向測量的不確定度主要來源于垂直儀和高精度慣性/衛(wèi)星組合測量設(shè)備。由于校準(zhǔn)裝置天線安裝基線一般為3m，如圖4所示。

由圖4可知，校準(zhǔn)裝置安裝位置測量不確定度引起校準(zhǔn)裝置航向測量的不確定度為

因此，校準(zhǔn)裝置航向測量的不確定度U為

=0.006031°

綜上所述，本文提出的采用高精度慣性/衛(wèi)星組合測量設(shè)備，并結(jié)合相關(guān)專測設(shè)備進(jìn)行配合的方式，能夠滿足靶場試驗(yàn)船只船載航向測量設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

圖4 校準(zhǔn)裝置位置安裝誤差引起航向測量誤差

5 結(jié)語

通過對(duì)靶場船只航行測量設(shè)備校準(zhǔn)方案的研究，并形成一套通用的校準(zhǔn)裝置，將提高靶場船載航向測量設(shè)備校準(zhǔn)的工作效率，保證試驗(yàn)船只測量的精確有效，將滿足較長時(shí)間內(nèi)靶場船載航向測量設(shè)備的校準(zhǔn)需要，為靶場產(chǎn)品試驗(yàn)提供可靠保障。根據(jù)實(shí)際需要，該校準(zhǔn)裝置不僅僅用于靶場試驗(yàn)船只，經(jīng)適應(yīng)性改造后，還可推廣應(yīng)用于內(nèi)河運(yùn)輸業(yè)及海上艦船等。

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Calibration Method of Heading Measurement Equipment of Range Vessel

HUANG Qipei

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In consideration of the needs of heading measurement equipment calibration of range, an efficient, convenient and universal calibration method is put forward, and the specific implementation process is given, the comprehensive testing capability of range is improved further, technology basis for protection is provided for various types of water weapons tests.

range vessel, heading measurement equipment, universal calibration method

2016年5月11日,

2016年6月27日

黃其培，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水下航行體軌跡跟蹤技術(shù)。

U666

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.032