基于過渡點的大型艦船局部基準(zhǔn)動態(tài)標(biāo)定方法?

（海裝沈陽局駐大連地區(qū)第三代表室 大連 116000）

1 引言

導(dǎo)航系統(tǒng)作為艦船指揮控制系統(tǒng)［1～5］的重要組成部分，既為艦船在海上的航行提供指引，同時也為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供初始位置導(dǎo)航信息。目前，大型艦船中比較常用的導(dǎo)航系統(tǒng)有衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等。其中衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度高，時間穩(wěn)定性好，但是其正常工作需要艦船實時接收衛(wèi)星信號，存在一定的安全隱患，而慣性導(dǎo)航設(shè)備因其工作時的無源性，恰恰可以彌補衛(wèi)星導(dǎo)航［6～9］的這一弱點。

慣性導(dǎo)航［10～13］設(shè)備正常工作時不需要借助于外部輔助信號，但是它的安裝精度會直接影響其姿態(tài)精度。大型艦船中，為了更好地測量船體的姿態(tài)和位置信息，通常在船體的不同位置安裝多套慣性測量單元，每套慣性測量單元會在其安裝部位形成一個局部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)軸與慣性測量單元的坐標(biāo)軸重合。這種情況下，多個局部基準(zhǔn)之間的安裝誤差也會影響導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度。

對局部基準(zhǔn)進行坐標(biāo)軸標(biāo)定［14～16］可以減小安裝誤差，同時可以通過數(shù)據(jù)后期處理補償殘余安裝誤差。靜態(tài)條件下，傳統(tǒng)的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法一般使用電子水平儀和陀螺經(jīng)緯儀等測量儀器直接對其進行測量，但是動態(tài)條件下，電子水平儀和陀螺經(jīng)緯儀不能工作，而大型艦船的多個慣性測量單元安裝位置相距較遠且中間隔有多個艙室光路無法通行，因此無法直接通過光學(xué)方法進行動態(tài)標(biāo)定。針對這一問題本文提出了一種基于過渡點的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法，對距離較遠的局部基準(zhǔn)進行標(biāo)定，試驗結(jié)果證明：過渡點法可以在不破壞船體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有效地標(biāo)定大型艦船中不同位置處局部基準(zhǔn)之間的對準(zhǔn)偏差。

2 常用的標(biāo)定儀器和標(biāo)定方法

2.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機械技術(shù)、計算機及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進技術(shù)，對空間運動目標(biāo)進行跟蹤并實時測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。圖1為美國API公司的T3型激光跟蹤儀。

圖1 T3激光跟蹤儀

激光跟蹤儀工作的基本原理是在待測目標(biāo)點上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。如圖2所示，圖中XYZ為以激光跟蹤儀為圓心的直角坐標(biāo)系，P點為激光跟蹤儀的靶球，L為激光跟蹤儀測得的靶球到跟蹤儀之間的距離，α和β分別為跟蹤儀上編碼器測得的目標(biāo)與Z軸以及X軸的夾角，則目標(biāo)點在三個軸的分量分別為

其中x，y，z就是目標(biāo)點P在激光跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

為了測量局部基準(zhǔn)的基準(zhǔn)軸方向，在慣性測量單元上加裝垂直于坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)鏡，同時結(jié)合靶球進行直射和反射兩次測量可以測得鏡面的法線方向，如圖3所示。圖中1、2分別為利用激光跟蹤儀對同一個靶球的直射測量光路和通過鏡面的反射測量光路。由幾何光學(xué)原理可知，2所示的測量方式等效于測量靶球通過鏡面所成像的坐標(biāo)，靶球和靶球像之間的連線就是鏡面的法線。在同一坐標(biāo)系中建立不同基準(zhǔn)鏡面的法線方程可以直接計算它們之間的夾角。

圖2 激光跟蹤儀工作原理示意圖

圖3 激光跟蹤儀標(biāo)定鏡面示意圖

2.2 電子經(jīng)緯儀

圖4 電子經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀是一種常規(guī)的測量儀器，廣泛應(yīng)用于軍事、建設(shè)等諸多行業(yè)，而電子經(jīng)緯儀是集光、機、電、計算為一體的自動化、高精度的光學(xué)儀器。其在光學(xué)經(jīng)緯儀的電子化、智能化基礎(chǔ)上，采用了電子細(xì)分、控制處理技術(shù)和濾波技術(shù)，實現(xiàn)測量讀數(shù)的智能化。電子經(jīng)緯儀既可單獨作為測角儀器完成導(dǎo)線測量等測量工作，又可與激光測距儀、電子手簿等組合成全站儀，與陀螺儀、衛(wèi)星定位儀、激光測距機等組成炮兵測地系統(tǒng)，實現(xiàn)邊角連測、定位、定向等各種測量。

圖5 電子經(jīng)緯儀工作原理

電子經(jīng)緯儀在局部基準(zhǔn)的標(biāo)校過程中主要起到角度測量的作用。如圖5所示，首先將電子經(jīng)緯儀的瞄準(zhǔn)光軸與參考光軸對齊，并記錄方位和俯仰角度；然后調(diào)整方位俯仰軸，讓光軸與待測的基準(zhǔn)軸系對齊，并讀取方位俯仰的角度；最后兩者的差值便是待測軸和參考軸之間的角度。

3 基于過渡點的標(biāo)定方法

前面分析了目前比較常用的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法。但是在大型艦船中往往存在多個慣性測量單元，這些測量單元大多距離較遠且中間間隔多個艙室，采用逐個打孔的方法會破環(huán)船艙的布局，代價過大不宜使用。因此，上述方法都無法在不破壞艦體結(jié)構(gòu)的前提下，對大型艦船中距離較遠的局部基準(zhǔn)進行動態(tài)標(biāo)定。

圖6 過渡點標(biāo)定原理示意圖

針對這一問題，本文提出了一種基于過渡點的局部基準(zhǔn)動態(tài)標(biāo)定方法，如圖6所示。圖中M1為艦船前部的慣性測量單元的基準(zhǔn)鏡，M2為在前基準(zhǔn)鏡之上的甲板上設(shè)立的參考鏡，M3為艦船后部的慣性測量單元的基準(zhǔn)鏡，M4為甲板上設(shè)立的后基準(zhǔn)鏡的參考鏡。

首先利用電子經(jīng)緯儀的測角功能將甲板上方的兩個參考鏡調(diào)至平行。然后在基準(zhǔn)鏡和參考鏡之間設(shè)立過渡靶球T1和T2，并在甲板上打出通光孔。分別在P1、P2、P3和P4四個位置利用激光跟蹤儀建立坐標(biāo)系，并分別利用靶球Q1、Q2、Q3、Q4測量M1、M2、M3、M4的法線方向以及T1、T2的坐標(biāo)。然后利用T1、T2以及坐標(biāo)變換方程將基準(zhǔn)鏡面的法線變到與之對應(yīng)的上層坐標(biāo)系中。最后在上層坐標(biāo)系中直接比較基準(zhǔn)鏡面的法線和參考法線之間的夾角，兩個夾角的差值便是待測的兩個局部基準(zhǔn)之間的角度值。

4 試驗驗證和數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第3節(jié)分析的基于過渡點的局部基準(zhǔn)動態(tài)標(biāo)定方法，對某大型艦船的前后兩個局部基準(zhǔn)進行標(biāo)定。試驗原理如圖6所示，試驗所用的激光跟蹤儀和電子經(jīng)緯儀如圖1和圖4所示。

分別測試兩組基準(zhǔn)鏡法線的原始坐標(biāo)，變換之后的坐標(biāo)以及在變換之后的甲板坐標(biāo)系中參考鏡的法線坐標(biāo)，如表1、表2所示。其中法線采用直射點和反射點的點坐標(biāo)表示，根據(jù)圖3可知直射點坐標(biāo)減去反射點坐標(biāo)，就是基準(zhǔn)鏡面的法線向量。由法線向量可以直接計算兩者之間的夾角，最后將兩個夾角做差便是兩個局部基準(zhǔn)之間夾角，最終計算結(jié)果為62.4s。

5 結(jié)語

針對大型艦船的多個局部基準(zhǔn)難以實時標(biāo)校的問題，本文提出了基于過渡點的局部基準(zhǔn)標(biāo)校方法。

表1 前局部基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)

表2 后局部基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)

其可以在不破壞船體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實時測量兩處甚至多處局部基準(zhǔn)之間的相對角度。實際的測試結(jié)果表明，這種方法能夠有效地動態(tài)標(biāo)定大型艦船中兩個相距較遠的局部基準(zhǔn)。