水下艦船對(duì)準(zhǔn)要求研究*

謝國(guó)善

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室　武漢　430205)

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水下艦船對(duì)準(zhǔn)要求研究*

謝國(guó)善

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205)

摘要論文首先闡述了水下艦艇對(duì)準(zhǔn)存在的問(wèn)題,分析目前行業(yè)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及影響因素,最后提出了可能需要的解決方案及在總體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞對(duì)準(zhǔn); 基準(zhǔn)傳遞; 誤差; 設(shè)計(jì)

Alignment Requirements Investigation for Undersea Shipboard

XIE Guoshan

(Navy Representative Office in 719 Research Institute, Wuhan430205)

AbstractAt first, this paper expounds the underwater ship aimed at the existing problems and analyzes the present situation in the industry and its influencing factors, finally proposes the solution may need and needs to be considered in the overall design of the design requirements.

Key Wordsalignment, standard transmission, error, design

Class NumberU666.12

1引言

核“三位一體”在核武器領(lǐng)域,指一國(guó)同時(shí)具備有陸基洲際彈道導(dǎo)彈、潛射彈道導(dǎo)彈和戰(zhàn)略轟炸機(jī)三種核打擊方式的能力。當(dāng)一國(guó)擁有三位一體的核打擊能力時(shí)等同于具有全面的核威懾能力。因?yàn)榫邆淞嗽诔惺艿谝淮未驌艉筮€能反擊的能力,再?zèng)]有一國(guó)能夠一次性摧毀對(duì)方核打擊能力,并不受對(duì)方的核報(bào)復(fù)。目前公認(rèn)擁有有三位一體的核打擊能力的國(guó)家是美國(guó)與俄羅斯。中國(guó)為下一個(gè)具有三位一體的核打擊能力的國(guó)家,其擁有東風(fēng)-3X洲際彈道導(dǎo)彈和09X型核水下艦艇、轟6轟炸機(jī)分別具有核武器投送能力。作為核“三位一體”的重要組成部分,核水下艦艇的安全隱蔽航行能力是區(qū)別于其它手段的重要特征。隨著我國(guó)海軍建設(shè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型,對(duì)未來(lái)新型水下艦艇的遠(yuǎn)海突防核打擊能力提出了更高的要求。未來(lái)核水下艦艇為了適應(yīng)和滿足我國(guó)新時(shí)期海上戰(zhàn)略需求,必須具備更長(zhǎng)的水下自持能力和更精確的打擊能力,而這些均與艦艇的導(dǎo)航能力息息相關(guān)。導(dǎo)航系統(tǒng)不僅為水下艦艇的水下隱蔽航行提供安全保障,還為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供初始發(fā)射信息保障,導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用導(dǎo)航信息的前提是必須實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)統(tǒng)一[1]。為了確保未來(lái)新型艦艇總體作戰(zhàn)技術(shù)性能,除了提高導(dǎo)航設(shè)備的性能外,還必須著力確保水下艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)彈武器系統(tǒng)之間的對(duì)準(zhǔn)精度,使得導(dǎo)彈武器系統(tǒng)有效使用導(dǎo)航信息,為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)揮預(yù)定作戰(zhàn)效能提供保障[2]。

2艦艇對(duì)準(zhǔn)要求存在的主要問(wèn)題

傳遞對(duì)準(zhǔn)是一種不同于光瞄技術(shù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一方法,主要依靠慣性測(cè)量與匹配算法實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn),對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中往往需要水下艦艇進(jìn)行機(jī)動(dòng)航行。為了保證其對(duì)準(zhǔn)精度,除了需要研究采用高精度的標(biāo)校對(duì)準(zhǔn)手段解決導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)彈武器系統(tǒng)之間的初始安裝基準(zhǔn)的統(tǒng)一問(wèn)題外,還需要針對(duì)在設(shè)定對(duì)準(zhǔn)方式和水下艦艇機(jī)動(dòng)航行譜線條件下導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)之間的傳遞對(duì)準(zhǔn)精度,找出高精度、短時(shí)間對(duì)準(zhǔn)要求下的水下艦艇運(yùn)行工況,以及該運(yùn)行工況下開(kāi)展導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際可達(dá)精度評(píng)估技術(shù)研究,確保導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)信息支持的有效、可信[3]。

為了解決上述問(wèn)題,需要利用光學(xué)基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校、陸上姿態(tài)測(cè)量等技術(shù)手段開(kāi)展相關(guān)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。目前我國(guó)艦船武器系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校所采用的基本技術(shù)是自準(zhǔn)直技術(shù),利用光學(xué)自準(zhǔn)直原理將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換為線性測(cè)量,通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的反射光線,得到目標(biāo)的姿態(tài)。在艦艇上實(shí)際運(yùn)用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同的測(cè)量方案。以此為基礎(chǔ)的基準(zhǔn)傳遞技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有一些缺點(diǎn)和不便[4]:

1) 傳遞距離近。目前自準(zhǔn)直測(cè)量中大部分采用高斯型光學(xué)系統(tǒng),測(cè)量距離在20m以內(nèi)。而在實(shí)際應(yīng)用中由于艇體布置的原因,兩個(gè)待比較的基準(zhǔn)之間可會(huì)超出此范圍。

2) 適應(yīng)性差。自準(zhǔn)直測(cè)量原理決定了傳遞光路必然沿著甲板坐標(biāo)系X軸、Y軸或Z軸方向,而艦上需要高精度對(duì)準(zhǔn)的設(shè)備如慣導(dǎo)、雷彈武器系統(tǒng)等分散布置于不同的區(qū)域。為此,基準(zhǔn)傳遞光路需做適應(yīng)性改進(jìn),增加過(guò)渡光路,而這往往會(huì)引入新的誤差。

3) 方位基準(zhǔn)大高差垂直傳遞困難。自準(zhǔn)直基準(zhǔn)傳遞技術(shù)利用光沿直線傳播的原理,以光的指向性表征基準(zhǔn)方向。但當(dāng)方位基準(zhǔn)進(jìn)行垂直傳遞時(shí),傳遞方向不與光的傳播方向一致,就需要使用過(guò)渡基準(zhǔn)。一般高差較小時(shí),采用光學(xué)平晶作為過(guò)渡基準(zhǔn)。良好的光學(xué)加工工藝可以保證在光學(xué)平晶長(zhǎng)度范圍內(nèi),其反射面法線方向的不一致性引入的誤差可以忽略不計(jì)。當(dāng)高差較大時(shí),要控制由于過(guò)渡基準(zhǔn)形變導(dǎo)致的誤差將會(huì)對(duì)加工工藝及工裝精度提出非?？量痰囊?甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)[5]。

4) 自準(zhǔn)直誤差的來(lái)源:(1)測(cè)角公式的近似所帶來(lái)的原理誤差、出射光非嚴(yán)格平行光線所引起的誤差以及光學(xué)系統(tǒng)的畸變;(2)人眼瞄準(zhǔn)和讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差及估讀誤差;(3)光電探測(cè)器靈敏度非均勻性以及響應(yīng)非線性誤差[6]。

3解決艦艇對(duì)準(zhǔn)要求的主要措施

目前在大地測(cè)量運(yùn)用中,遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)傳遞的方法通常有四種:靜力水準(zhǔn)法、動(dòng)力水準(zhǔn)法、GPS水準(zhǔn)法及常規(guī)大地測(cè)量法。

艦艇對(duì)準(zhǔn)主要是在此基礎(chǔ)上,利用先進(jìn)測(cè)量手段進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)理論和方法;確定影響傳遞對(duì)準(zhǔn)精度的因素及作用機(jī)理,結(jié)合艦船運(yùn)動(dòng)特性及實(shí)際布置情況,開(kāi)展傳遞對(duì)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)研究和誤差機(jī)理分析研究,從而形成一套完善的高精度的傳遞對(duì)準(zhǔn)方案。主要內(nèi)容包括四個(gè)方面: 1) 大跨度遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)傳遞技術(shù); 2) 基準(zhǔn)垂直縱向傳遞技術(shù); 3) 遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)失調(diào)監(jiān)測(cè)技術(shù); 4) 傳遞誤差機(jī)理分析研究[7]。

為解決上述關(guān)鍵技術(shù),艦船總體設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、系統(tǒng)及設(shè)備對(duì)準(zhǔn)技術(shù)要求以及布置位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:

1) 對(duì)準(zhǔn)方案及測(cè)試方法;

2) 基準(zhǔn)的選用及布置;

3) 艦船上的基座、通光孔、支架的定位及安裝;

4) 對(duì)準(zhǔn)測(cè)量專用工裝設(shè)計(jì)。

對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)確定主基準(zhǔn)面及首尾線基準(zhǔn),作為各系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)時(shí)統(tǒng)一坐標(biāo)的主基準(zhǔn);另外還應(yīng)確定武器控制基準(zhǔn)面,作為武器系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)渡基準(zhǔn);根據(jù)需要還可設(shè)其他輔基準(zhǔn)及標(biāo)志,主基準(zhǔn)和輔基準(zhǔn),主基準(zhǔn)和輔基準(zhǔn)永久保留并應(yīng)設(shè)有保護(hù)罩[8]。

對(duì)于精度要求高的系統(tǒng)及設(shè)備,應(yīng)采用碼頭對(duì)準(zhǔn)方案,此時(shí): 1) 首尾線基準(zhǔn)、武器控制基準(zhǔn)面及甲板經(jīng)緯儀應(yīng)處在艦艇的中線面內(nèi)或平行于中線面的同一平面內(nèi); 2) 應(yīng)確保甲板經(jīng)緯儀支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,視界廣,要能看到對(duì)準(zhǔn)的設(shè)備、方位標(biāo)或艙內(nèi)的首尾線基準(zhǔn),如有看不到的設(shè)備再設(shè)輔助經(jīng)緯儀,使上甲板以上部位要對(duì)準(zhǔn)的設(shè)備能與其中一臺(tái)經(jīng)緯儀通視[9]。

選用靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)方案時(shí),應(yīng)采用基準(zhǔn)平臺(tái)作為主基準(zhǔn)面和武器控制基準(zhǔn)面。用裝在上甲板以上的方位標(biāo)作首尾線基準(zhǔn),方位標(biāo)和甲板經(jīng)緯儀設(shè)在中線面內(nèi)或與其平行的同一平面內(nèi),兩者不小于5m的距離。

需明確的是:在對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)規(guī)定測(cè)試數(shù)據(jù)的采集及處理方法。選定的對(duì)準(zhǔn)方案及測(cè)試方法的精度必須滿足艦艇總體、系統(tǒng)及設(shè)備對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)要求。對(duì)準(zhǔn)誤差應(yīng)包括測(cè)試傳遞過(guò)程中的方法誤差、儀器誤差、操作誤差及狀態(tài)環(huán)境引起的誤差等,其綜合極限誤差不大于該項(xiàng)誤差的1/5時(shí)可以忽略。

對(duì)準(zhǔn)時(shí)環(huán)境也有一定特殊要求,應(yīng)在環(huán)境、氣溫比較穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行;露天對(duì)準(zhǔn)一般應(yīng)在陰天無(wú)雨或夜間進(jìn)行[10]。

4結(jié)語(yǔ)

艦艇對(duì)準(zhǔn)關(guān)系到總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),其對(duì)準(zhǔn)精度也直接影響水下艦船導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)揮預(yù)定作戰(zhàn)效能發(fā)揮。本文主要分析目前行業(yè)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題,提出了必須考慮的設(shè)計(jì)要求及解決方案,在總體頂層設(shè)計(jì)時(shí),能夠利用先進(jìn)的測(cè)量理論、測(cè)量技術(shù)設(shè)備等研究出一套特定的艦艇對(duì)準(zhǔn)測(cè)量方案,在工程實(shí)踐中也可為總體設(shè)計(jì)、建造及質(zhì)量控制提供依據(jù),確保水下艦艇導(dǎo)航等系統(tǒng)信息的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 歐同庚,陳志高,楊博雄.光電自準(zhǔn)直儀工作原理及誤差源分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2007,27(6):98-100.

[2] 鄒九貴,甘俊紅,季國(guó)定.高精度二維自準(zhǔn)直儀的研制[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2006,26(5):19-20,26.

[3] 張繼友,范天泉,曹學(xué)東.光電自準(zhǔn)儀研究現(xiàn)狀與展望[J].計(jì)量技術(shù),2004(7):27-29.

[4] 李噗,王丹丹.速度加姿態(tài)匹配的傳遞對(duì)準(zhǔn)算法研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2009(5):9-12.

[5] 林玉池,于建.光電自準(zhǔn)直儀現(xiàn)狀與展望[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),1999,19(6):30-32.

[6] 王元慶.新型傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:5-7.

[7] 吳文明,高立名,吳易明.利用三次樣條插值提高自準(zhǔn)直儀的準(zhǔn)確度[J].光子學(xué)報(bào),36(8):1561-1564.

[8] 王可,鄧正隆.一種新的動(dòng)基座快速對(duì)準(zhǔn)方案機(jī)器仿真研究[J].宇航學(xué)報(bào),2005(3):321-325,1991.

[9] 黃昆,單福林,楊功流.艦載角速度匹配對(duì)準(zhǔn)傳遞方案研究[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2005,13(4):1-5.

[10] 李勝芳,劉玉龍.艦船系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)要求[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1991:13-17.

中圖分類(lèi)號(hào)U666.12

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.016

作者簡(jiǎn)介:謝國(guó)善,男,工程師,研究方向:艦船電子設(shè)備設(shè)計(jì)與監(jiān)造。

收稿日期:2015年9月3日,修回日期:2015年10月17日