艦載多陣面機械零位動態(tài)對準方法研究

朱學凱，田 野，李 龍，顧林衛(wèi)，徐 鐸

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225101;2.北京七維航測科技股份有限公司南京分公司，南京210000)

0 引 言

陣面對準是陣面研制、試驗、使用中的一項重要的工作，目的是檢查、調(diào)整陣面的機械、電器零位是否滿足設計指標的使用要求[1-2]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)對準一般分為船塢對準階段和系泊對準階段[3]。通常陣面的機械零位對準是在船塢內(nèi)靜態(tài)下完成的。

研制中的設備在進行海上航行試驗時需要對艦船的動態(tài)姿態(tài)信息進行修正，以實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定搜索與跟蹤。魏學通[4]提出了一種基于光電測量的陀螺經(jīng)緯儀標校方法，可以在光路不通視的情況下完成方位標定，從而解決不同甲板層的方位標定問題。但是，該光學方法僅適合在靜態(tài)下的標定。趙馨[5]借助CCD相機、激光經(jīng)緯儀、全球定位系統(tǒng)等器件實現(xiàn)了對艦載陣面的零位標定。該方法可以克服艦艇擺動帶來的系統(tǒng)誤差，但需要借助岸邊已知坐標值的固定基準點，且方法較為復雜。某陣面設備試驗時由于條件受限無法進入船塢內(nèi)進行靜態(tài)對準，試驗船?？看a頭時存在明顯的擺動，光學標定方法已無可能，且碼頭周圍無可利用的基準點、標定塔等設施，故需要采用一種不依靠外部資源的標定方法。

本文介紹了一種基于GPS雙天線的組合慣導測量系統(tǒng)，利用GPS固有時戳，實現(xiàn)兩位置姿態(tài)信息的實時輸出，最終利用轉(zhuǎn)換矩陣將艦船的姿態(tài)信息傳輸?shù)蕉鄠€陣面設備上，從而完成多陣面相對姿態(tài)的標定。

1 標校工裝的設計

為保證慣導系統(tǒng)的測量精度，需要實現(xiàn)以下3軸的平行：

① 慣導主機中心軸Y軸；

② 兩GPS天線中心的連接軸；

③ 陣面本身的機械軸。

設計一種用來安裝慣導和GPS天線的標校桿，并對標校桿加工時的形位公差提出要求。標校桿的設計如圖1所示。陣面設備具有反映自身機械軸基準的標校平面，將標校桿安裝在設備預留的標校平面上，依靠設計、加工和裝配精度保證了3軸指向的一致性，慣導安裝至陣面設備，如圖2所示。

2 慣導系統(tǒng)的快速收斂

為實現(xiàn)慣導測量系統(tǒng)的快速收斂和達到較高的收斂精度，主運載體需要通過做S形機動來實現(xiàn)速度、加角速度的匹配傳遞對準。通過持續(xù)供電的UPS滿足了跑車試驗的供電需求。跑車試驗如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)錄取、處理及誤差分析

跑車試驗結(jié)束后，將慣導在不斷電情況下安裝至標校桿的相應位置上，為主慣導和子慣導同時加電，保證了GPS固有時戳的一致性，并以20 Hz的數(shù)據(jù)率開始錄取數(shù)據(jù)。錄取時長為20 min。錄取后數(shù)據(jù)如圖4所示。

將圖4中所示的姿態(tài)角信息提取出來，為更好地對比，繪制出兩者坐標轉(zhuǎn)換后的相對姿態(tài)信息對比圖如圖5所示。

因主慣導與子慣導屬于兩個不同的載體坐標系，需要借助旋轉(zhuǎn)矩陣求解出兩者的矢量變換。設ψ為載體航向角，θ為俯仰角，γ為橫滾角，地理坐標系繞負Z軸轉(zhuǎn)ψ角，繞X軸轉(zhuǎn)θ角，再繞Y軸轉(zhuǎn)γ角，則得載體坐標系，它們之間的轉(zhuǎn)換矩陣為[6]

C=CγCθCψ

設主慣導的轉(zhuǎn)換矩陣為C1，設備子慣導處的轉(zhuǎn)換矩陣為C2，則主慣導到設備子慣導處的轉(zhuǎn)換矩陣為C=C2C1-1，然后求解出矩陣C中的相對姿態(tài)角。選擇錄取數(shù)據(jù)中相對穩(wěn)定的一段，計算出設備子慣導相對于甲板主慣導的相對姿態(tài)角。繪制曲線如圖5所示。

將圖5中的相應兩數(shù)據(jù)求差值。繪制差值數(shù)據(jù)如圖6所示。對圖6中數(shù)據(jù)求平均值，得到兩位置的相對姿態(tài)信息如下：相對俯仰角為19.82°，相對航向角為87.85°，相對橫滾角為0.117°。

將圖6中的數(shù)據(jù)與求解出的設備測算值做差值，可以得到設備測算值與實際測量值之間的誤差波動曲線，并以該值作為本次測量的測量精度，如圖7所示。

由圖7可知，本次姿態(tài)角測量的俯仰精度和橫滾精度在0.02°以內(nèi)，航向精度在0.1°以內(nèi)。

4 標定結(jié)果

利用上述方法對3個不同陣面設備進行位置解算后形成的最后結(jié)果如表1所示。

表1 設備子慣導相對于主慣導矢量差值