慣性導(dǎo)航設(shè)備動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法

雷 雯，陳楊科

（海軍裝備部駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411100）

0 引言

艦船慣性導(dǎo)航設(shè)備是利用慣性器件來(lái)確定艦艇的艏向、位置和速度的自主式導(dǎo)航設(shè)備，是全天候?qū)Ш皆O(shè)備，具有工作不受地域、氣象條件限制和外界的各種干擾等突出優(yōu)點(diǎn)。慣性導(dǎo)航設(shè)備是當(dāng)前海軍最主要的導(dǎo)航設(shè)備，其性能優(yōu)劣關(guān)系到艦船航行安全和作戰(zhàn)武器設(shè)備的性能。慣性導(dǎo)航設(shè)備（包括激光慣導(dǎo)、平臺(tái)羅經(jīng)和局部基準(zhǔn)等）上艦時(shí)航向和水平安裝標(biāo)校精度是影響慣性導(dǎo)航設(shè)備性能一個(gè)重要的環(huán)節(jié)[1]。所以長(zhǎng)期以來(lái)，慣導(dǎo)設(shè)備準(zhǔn)確標(biāo)校方法始終是海軍和設(shè)備研發(fā)單位十分關(guān)注的問題。

根據(jù)艦船狀態(tài)慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝標(biāo)校主要分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)校2種[2-3]，其各自的條件及性能優(yōu)劣情況見表1。

表1 動(dòng)態(tài)標(biāo)校環(huán)境優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

由表1可知，動(dòng)態(tài)特別是碼頭系泊情況標(biāo)校對(duì)于整體進(jìn)度和要求有很明顯的優(yōu)勢(shì)，但受標(biāo)校方法的限制使得標(biāo)校精度不高。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，導(dǎo)航設(shè)備的標(biāo)校只能在船塢內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致設(shè)備存在標(biāo)校周期長(zhǎng)、程序復(fù)雜、難度大、不能按需要及時(shí)予以標(biāo)校等問題。

傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航設(shè)備的標(biāo)校方法是在靜態(tài)條件下通過經(jīng)緯儀和水平儀等測(cè)量?jī)x器配合，利用機(jī)械調(diào)整方式完成安裝標(biāo)校。這種標(biāo)校方式可以滿足大部分平臺(tái)羅經(jīng)等中低精度導(dǎo)航設(shè)備的標(biāo)校要求，但難以滿足高精度慣性設(shè)備標(biāo)校要求[4-5]。因此，亟需針對(duì)慣性導(dǎo)航設(shè)備特點(diǎn)研究出一個(gè)艦船在靜動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航設(shè)備高精度標(biāo)校方法，解決傳統(tǒng)標(biāo)校方法帶來(lái)的問題。

本文提出的數(shù)字化安裝標(biāo)校方法是結(jié)合目前主流艦艇激光慣性導(dǎo)航設(shè)備的工作原理及結(jié)構(gòu)形式提出的一種滿足艦船靜動(dòng)態(tài)條件高精度的標(biāo)校方法，主要解決了動(dòng)態(tài)精度不高的問題，同時(shí)大大減少標(biāo)校時(shí)間，提高適裝性。

1 標(biāo)校原理

艦載慣性導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)校是通過特定的儀器儀表，采用合理的安裝標(biāo)校方法使慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出基準(zhǔn)與艦基準(zhǔn)相互一致的過程[6]。因此，要討論安裝標(biāo)校方法首先需從設(shè)備輸出基準(zhǔn)和艦基準(zhǔn)開始研究。

1.1 基準(zhǔn)建立

艦基準(zhǔn)包括方位基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)，艦船方位基準(zhǔn)主要由艦方位基準(zhǔn)鏡或艏艉刻線表征，方位基準(zhǔn)鏡是艦船建造時(shí)安裝，其法線方向通過光學(xué)方法將艦船中心艏艉線引入得來(lái)，其安裝結(jié)構(gòu)見圖1。水平基準(zhǔn)由艦水平基準(zhǔn)平臺(tái)表征，如圖2所示，延艦船艏向方向相對(duì)于地平的傾角為縱傾角，垂直于艏向方向的右舷相對(duì)于地平傾角為橫傾角。艦基準(zhǔn)坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系一致，定義艏高為正，左舷高為正。

圖1 艦方位鏡安裝示意圖（單位：mm）

圖2 艦水平基準(zhǔn)俯視圖

由方位鏡和艦水平基準(zhǔn)即構(gòu)成艦基準(zhǔn)坐標(biāo)系（O-xbybzb）。如圖3所示，艦基準(zhǔn)坐標(biāo)系x軸指向右舷，y軸指向艦艏，z軸依右手坐標(biāo)系向上。

圖3 艦基準(zhǔn)坐標(biāo)系圖

1.2 慣導(dǎo)設(shè)備基準(zhǔn)建立

以艦艇激光慣性導(dǎo)航設(shè)備為例，設(shè)備輸出基準(zhǔn)包括方位基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)。如圖4所示，設(shè)備方位基準(zhǔn)由圖中標(biāo)識(shí)的標(biāo)校鏡表征，水平基準(zhǔn)由紅色的水平檢測(cè)平臺(tái)表征。慣性設(shè)備在生產(chǎn)調(diào)試時(shí)通過數(shù)學(xué)方法將慣性本體輸出統(tǒng)一到標(biāo)校鏡和水平檢測(cè)物理平臺(tái)上。通過陀螺經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校鏡測(cè)量和水平儀在水平檢測(cè)平臺(tái)上的測(cè)量得到的值與設(shè)備輸出的方位、水平值一致，因此設(shè)備上的標(biāo)校鏡和水平檢測(cè)平臺(tái)共同構(gòu)成了慣導(dǎo)設(shè)備的輸出基準(zhǔn)。

圖4 慣性裝置示意圖

2 傳統(tǒng)安裝標(biāo)校方法

傳統(tǒng)慣導(dǎo)設(shè)備安裝標(biāo)校方法見圖5，主要是基于電子陀螺經(jīng)緯儀、差分水準(zhǔn)儀和方位基準(zhǔn)鏡進(jìn)行慣性安裝和對(duì)準(zhǔn)的精度控制方法。設(shè)備出廠時(shí)提供平臺(tái)坐標(biāo)系方向基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)其方位和水平標(biāo)校方法如下。

圖5 傳統(tǒng)標(biāo)校方法示意圖

1）方位標(biāo)校調(diào)整如圖6所示，A為陀螺經(jīng)緯儀光管中“十”字分劃板，B為A經(jīng)過艦方位基準(zhǔn)鏡反射后回來(lái)的像，C為A經(jīng)過艦方位基準(zhǔn)鏡和慣導(dǎo)標(biāo)校鏡兩鏡子反射回來(lái)的像。標(biāo)校時(shí)需先將調(diào)整陀螺經(jīng)緯儀先將B與A完全重合，此時(shí)陀螺經(jīng)緯儀的讀數(shù)即為艦方位真值。A、B重合后再次挪動(dòng)慣導(dǎo)平臺(tái)上的方位和水平環(huán)架機(jī)構(gòu)使C像與A、B重合即認(rèn)為設(shè)備方位與艦基準(zhǔn)方位對(duì)齊。

圖6 方位標(biāo)校示意圖水平調(diào)整

2）水平標(biāo)校調(diào)整

在方位對(duì)齊后利用慣性水平基準(zhǔn)以及艙室主水平基準(zhǔn)面進(jìn)行水平調(diào)整，沿同一方向正反兩次分別將差分水平儀安放在檢測(cè)主基準(zhǔn)面和慣性平臺(tái)被測(cè)面，所測(cè)傾斜角值取均值，一般在設(shè)備底座與安裝基座間用楔形墊塊調(diào)整水平。

水平標(biāo)校調(diào)整主要存在以下2個(gè)難點(diǎn)：

（1）方位與2個(gè)水平方向共同構(gòu)建慣導(dǎo)的平臺(tái)的輸出坐標(biāo)系，當(dāng)方位調(diào)整滿足要求后，水平任意一個(gè)方向調(diào)整都會(huì)對(duì)方位和水平另一個(gè)方向造成影響，因此需要反復(fù)調(diào)整才能滿足對(duì)齊精度要求。

（2）設(shè)備方位、水平與艦船方位基準(zhǔn)、水平基準(zhǔn)對(duì)齊后，需利用劃線工具，確定慣性平臺(tái)基座墊塊連接螺栓的位置，移去慣性平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配鉆。在慣性與基座固定后，應(yīng)再次按上述步驟調(diào)整并復(fù)核方位和水平對(duì)齊精度，實(shí)際標(biāo)校時(shí)往往因艙室空間限制調(diào)整難度很大。

傳統(tǒng)標(biāo)校方法標(biāo)校精度，慣性方位與艦船方位基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)精度在±30″內(nèi)，水平精度在±1′內(nèi)。

3 動(dòng)態(tài)安裝標(biāo)校方法

3.1 動(dòng)態(tài)標(biāo)校原理

圖7 設(shè)備安裝誤差角示意圖

數(shù)字化動(dòng)態(tài)標(biāo)校即找出兩坐標(biāo)系之間的歐拉角ΔH、ΔP、ΔR，將歐拉角參數(shù)輸入到設(shè)備配置參數(shù)中，設(shè)備軟件根據(jù)配置參數(shù)即可使得設(shè)備輸出與艦基準(zhǔn)保持一致。

3.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)校流程

動(dòng)態(tài)標(biāo)校是指在船因完全下水使得測(cè)量?jī)x器無(wú)法取得艦方位與水平姿態(tài)絕對(duì)基準(zhǔn)值情況下而采用的一種標(biāo)校方法，與靜態(tài)標(biāo)校方法類似，包含方位和水平調(diào)整。

1）方位調(diào)整

艦方位基準(zhǔn)鏡與設(shè)備方位基準(zhǔn)鏡不在同一線上時(shí)采用如圖8所示的方式標(biāo)校。將甲板經(jīng)緯儀A、B分別放置在合適的位置，分別將兩經(jīng)緯儀調(diào)水平，能分別與甲板基準(zhǔn)鏡及慣性裝置標(biāo)校鏡準(zhǔn)直，經(jīng)緯儀讀數(shù)分別為θA1、θB2，再將兩經(jīng)緯儀進(jìn)行互瞄準(zhǔn)，其角度值為θA2、θB2，分別代入下列式中，微調(diào)慣導(dǎo)基座，使ΔH小于0.5°，即滿足設(shè)備方位安裝精度要求：

圖8 動(dòng)態(tài)標(biāo)校方位標(biāo)校示意圖

2）水平安裝

將慣性裝置上殼體移開，用差分水平儀分別放置艦水平縱向基準(zhǔn)面和慣性裝置水平檢驗(yàn)平臺(tái)縱向基準(zhǔn)面上，微調(diào)慣導(dǎo)安裝面使得差分水平儀在縱向方向的讀數(shù)值ΔP控制在±0.5°以內(nèi)。同理，測(cè)量橫向方向差分水平儀的讀數(shù)值ΔR也控制在±0.5°以內(nèi)，即滿足設(shè)備水平姿態(tài)的初標(biāo)精度要求。其示意圖見圖9。

圖9 動(dòng)態(tài)標(biāo)校水平標(biāo)校示意圖

3）方位與水平標(biāo)校

通過初標(biāo)，設(shè)備方位和水平在機(jī)械上與艦方位和水平基準(zhǔn)值偏差分別控制在0.5°和0.5°以內(nèi)，為使設(shè)備標(biāo)校精度更高同時(shí)減少機(jī)械調(diào)整工作量，采用數(shù)字標(biāo)校方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備精標(biāo)。步驟如下：

（1）設(shè)備開機(jī)穩(wěn)定兩小時(shí)后讀出設(shè)備輸出的縱橫搖和航向P、R、H。

（2）將偏差角（ΔH,ΔP,ΔR）通過設(shè)備。

（3）顯控發(fā)送裝置裝訂，即實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)設(shè)備與艦基準(zhǔn)統(tǒng)一。

動(dòng)態(tài)標(biāo)校精度在方位和水平上基本控制在20″以內(nèi)。其誤差主要是由于設(shè)備慣性本體與其水平方位基準(zhǔn)之間的取齊偏差。

3.3 標(biāo)校方法對(duì)比

本文提出了一種艦艇高精度航向和水平姿態(tài)測(cè)量和標(biāo)校模型, 并根據(jù)該模型制定了高精度航向和水平姿態(tài)初始標(biāo)校方案，解決了慣性導(dǎo)航設(shè)備在艦船靜動(dòng)態(tài)條件下高精度的標(biāo)校問題，為提高導(dǎo)航設(shè)備的精度提供了全新的、有效的方法。新方法與傳統(tǒng)標(biāo)校方法對(duì)比見表2。

表2 標(biāo)校方法對(duì)比表

4 實(shí)船交驗(yàn)

結(jié)合某任務(wù)加裝在系泊狀態(tài)下激光慣導(dǎo)采用動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法完成設(shè)備安裝標(biāo)校工作，采用差分水平儀測(cè)出艦水平基準(zhǔn)面和設(shè)備水平檢測(cè)平臺(tái)之間的差值，用光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)出設(shè)備標(biāo)校鏡與艦方位基準(zhǔn)鏡之間的差值，因差分水平儀動(dòng)態(tài)條件下存在隨機(jī)誤差，通過3次測(cè)量取平均值，并將平均值裝訂到設(shè)備中完成設(shè)備動(dòng)態(tài)標(biāo)校。進(jìn)船塢半坐墩后用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)出艦方位基準(zhǔn)鏡方位值，水平儀測(cè)出艦水平基準(zhǔn)面縱橫方向兩個(gè)值，將以上3個(gè)值與設(shè)備輸出航向、縱橫搖值進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)偏差值作為設(shè)備動(dòng)態(tài)標(biāo)校精度，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)態(tài)標(biāo)校結(jié)果表

5 結(jié)論

本文提出的高精度航向和水平姿態(tài)初始標(biāo)校方案，解決了傳統(tǒng)標(biāo)校方法存在對(duì)船體狀態(tài)要求高、周期長(zhǎng)、機(jī)械調(diào)整難度大、程序復(fù)雜、僅能在靜態(tài)環(huán)境下標(biāo)校，且標(biāo)校精度不高等問題。更重要的是解決了在艦船靜動(dòng)態(tài)條件下高精度的標(biāo)校問題，為提高導(dǎo)航設(shè)備的精度提供了全新的、有效的安裝標(biāo)校方法。

1）數(shù)字化標(biāo)校方法是建立在捷聯(lián)慣導(dǎo)（激光、光纖等）的技術(shù)基礎(chǔ)上高精度標(biāo)校方法，具有廣泛的通用性、先進(jìn)性。

2）相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)校方法數(shù)字化安裝標(biāo)校方法要求低、操作簡(jiǎn)單、精度高，所內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)船交驗(yàn)情況充分證明了數(shù)字化標(biāo)校方法的正確性和優(yōu)越性。

3）數(shù)字化動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法最主要的優(yōu)點(diǎn)是解決了設(shè)備在艦船動(dòng)態(tài)條件下的高精度安裝標(biāo)校問題，為激光慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)等導(dǎo)航產(chǎn)品的外場(chǎng)安裝標(biāo)校工作奠定了重要的理論基礎(chǔ)，具有重要工程實(shí)用價(jià)值。