船用光纖陀螺羅經(jīng)試驗方法

霍 庚，溫朝江

（ 92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

羅經(jīng)是用于確定艦船航向和觀測物標(biāo)方位的儀器，廣泛應(yīng)用于航海導(dǎo)航中，它為艦船的安全航行提供保障[1-3]。陀螺羅經(jīng)通過陀螺等慣性器件敏感載體角運動，利用機(jī)械穩(wěn)定平臺或數(shù)學(xué)平臺計算得到載體在當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系下的航向和姿態(tài)等信息。

傳統(tǒng)平臺羅經(jīng)均采用機(jī)電式陀螺（如液浮陀螺、撓性陀螺），框架式結(jié)構(gòu)，陀螺轉(zhuǎn)子由隨動裝置支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。陀螺電機(jī)運動時產(chǎn)生的附加干擾力矩和支撐懸掛點產(chǎn)生的摩擦力矩都會導(dǎo)致誤差。由于存在啟動時間長，陀螺受到?jīng)_擊時產(chǎn)生的誤差大，可靠性差等缺點，故維修成本略有提高。在艦船遭遇突發(fā)狀況及在各種復(fù)雜情況下，傳統(tǒng)平臺羅經(jīng)因具有一定的局限性，從而影響了艦船航行的安全和效率。

近年來，激光和光纖陀螺儀技術(shù)日趨成熟，由于其自身顯著的優(yōu)點，船用羅經(jīng)技術(shù)已逐步向光學(xué)陀螺船用羅經(jīng)技術(shù)的方向發(fā)展[4-5]。相比激光陀螺存在閉鎖現(xiàn)象且生產(chǎn)工藝復(fù)雜等問題，光纖陀螺因其自身體積小，重量輕，性價比高，更適用于捷聯(lián)式羅經(jīng)系統(tǒng)。

本文通過對光纖陀螺羅經(jīng)的工作機(jī)理及影響整體性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出了1 種針對光纖陀螺羅經(jīng)試驗的鑒定方法。該方法采用海陸結(jié)合的試驗?zāi)Ｊ剑鶕?jù)陸上試驗與海上試驗的特點，取長補短，進(jìn)行有針對性的分析研究，并根據(jù)實際需求重點開展了對試驗航區(qū)、試驗航次設(shè)計等關(guān)鍵條件以及重要指標(biāo)考核方式的確立，該方法具有一定的可行性。

1 光學(xué)陀螺羅經(jīng)工作機(jī)理

光學(xué)陀螺羅經(jīng)的基本原理是基于薩格奈克相移效應(yīng)，與其他陀螺相比，它全固態(tài)、無機(jī)械活動部件，陀螺精度和可靠性高于液浮陀螺和撓性陀螺。相較于航空航天、陸戰(zhàn)等領(lǐng)域，航海領(lǐng)域的光纖陀螺羅經(jīng)的特點在于能夠提供長時間高精度的載體航向等導(dǎo)航信息。因此，航海導(dǎo)航對光纖陀螺精度有著不同的使用要求。影響光纖陀螺羅經(jīng)指向精度的重要因素是零偏穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)光纖陀螺的研制水平已接近慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的中、低精度要求，中等精度光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)成熟，精度優(yōu)于0.01( °) /h，高精度光纖陀螺精度優(yōu)于0.001( °) /h[3-8]。由于艦船使用環(huán)境的特殊性，可根據(jù)系統(tǒng)精度及其他任務(wù)指標(biāo)要求進(jìn)行合理選型，以滿足海上環(huán)境適應(yīng)性要求。

光學(xué)陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計，由慣性測量單元、導(dǎo)航結(jié)算單元等組成，其工作原理，如圖1所示。

圖1 光學(xué)陀螺羅經(jīng)的基本工作原理圖Fig.1 Basic working principle diagram of optical gyrocompass

光學(xué)陀螺羅經(jīng)解決了框架結(jié)構(gòu)帶來的缺陷，避免了艦船頻繁機(jī)動運動時帶來的沖擊及搖擺產(chǎn)生的航向誤差。光學(xué)羅經(jīng)在高緯度工作時采用極地算法[9-13]，可抑制航向誤差的快速發(fā)散，能保證一定的使用精度，使工作范圍變廣，適用性增強。

慣性測量單元由光學(xué)陀螺儀和加速度計構(gòu)成，直接與載體固聯(lián)，慣性測量元件易于重復(fù)布置，實現(xiàn)冗余技術(shù)，可靠性明顯提高。系統(tǒng)采用捷聯(lián)式羅經(jīng)方案，由高速計算機(jī)代替框架結(jié)構(gòu)，用數(shù)學(xué)平臺取代了傳統(tǒng)羅經(jīng)繁復(fù)的機(jī)械式平臺結(jié)構(gòu)。通過采集慣性測量單元輸出的載體加速度和角速度信息，經(jīng)數(shù)字解算，輸出載體的航向、水平姿態(tài)和角速度等信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 初始對準(zhǔn)技術(shù)

初始對準(zhǔn)是羅經(jīng)進(jìn)入導(dǎo)航階段的必經(jīng)階段。對準(zhǔn)的精度直接影響羅經(jīng)的精度水平；對準(zhǔn)時間決定了艦船的反應(yīng)速度。羅經(jīng)法自對準(zhǔn)是1種常用的初始對準(zhǔn)方法[3]，適用于光學(xué)陀螺羅經(jīng)初始對準(zhǔn)。該方法是基于經(jīng)典控制理論，利用羅經(jīng)項的影響，控制方位軸找北且不依賴于外界信息的對準(zhǔn)方法，適用于載體無速度的條件即靜基座條件下使用。當(dāng)載體存在速度時，陀螺儀和加速度計會感知到載體的角速度和線速度信息，通過控制回路影響羅經(jīng)對準(zhǔn)效果。光學(xué)陀螺羅經(jīng)對準(zhǔn)分為水平對準(zhǔn)和方位對準(zhǔn)[14-16]。為了滿足水平精對準(zhǔn)對速度和精度要求，本文將系統(tǒng)設(shè)計具有抗干擾能力的二階水平對準(zhǔn)回路。北向通道，如圖2 所示，東向通道與北向類似。

圖2 北向通道水平精對準(zhǔn)原理方框圖Fig.2 Block diagram of horizontal alignment principle for the northbound passage

圖2 中：φE，φU分別為東向失準(zhǔn)角和方位失準(zhǔn)角；wN=wiecosL（L為當(dāng)?shù)鼐暥龋?；εE分別為等效的東向陀螺漂移，?N為等效的北向加速度計偏置；g為重力加速度；K1、K2為北向水平對準(zhǔn)中的設(shè)計參數(shù)。東向和北向的對準(zhǔn)回路相似，因此，這里只討論北向水平對準(zhǔn)回路。引入K1改變系統(tǒng)的阻尼比，通過選擇合適的參數(shù)，東向失準(zhǔn)角雖能收斂，但收斂速度很慢，需要84.4 min 才能完成1 個周期的衰減。引入K2則可改變系統(tǒng)的振蕩頻率，從而加快收斂，形成二階快型水平對準(zhǔn)回路[17]。

光纖陀螺羅經(jīng)從啟動到輸出有效的姿態(tài)信息只需十幾分鐘，這使對準(zhǔn)的速度和準(zhǔn)確率顯著提高，尤其是在高緯度或高速頻繁機(jī)動時，光學(xué)羅經(jīng)優(yōu)勢更加明顯。

2.2 阻尼技術(shù)

光纖陀螺羅經(jīng)在長時間工作時，存在3 種振蕩誤差，誤差會隨時間的發(fā)散而影響系統(tǒng)精度。因此，為了保證羅經(jīng)長時間高精度工作，通常采用阻尼技術(shù)來抑制振蕩誤差[18]。根據(jù)運動狀態(tài)的不同，采用不同的阻尼方式，如內(nèi)阻尼、外阻尼及全阻尼。外阻尼實際上是光學(xué)羅經(jīng)與GPS、磁羅盤、高度表、測流儀等外部傳感器進(jìn)行組合導(dǎo)航，對設(shè)備主要誤差源等信息進(jìn)行估計和補償，使整體性能得到大幅提高[4]。

圖3 光學(xué)陀螺羅經(jīng)組合導(dǎo)航原理框圖Fig.3 Block diagram of optical gyrocompass integrated navigation

3 試驗方法研究

光學(xué)陀螺羅經(jīng)作為航行保障設(shè)備，其特點在于航向不隨時間發(fā)散，可長時間保持高精度的姿態(tài)信息，具有一定的環(huán)境適應(yīng)能力。工作方式分為自主方式和外部信息組合方式，這2 種工作方式都能滿足艦船在各種機(jī)動條件下正常工作及長航時、高可靠性自主工作的需求。因此，在試驗設(shè)計時應(yīng)立足艦船的不同運動狀態(tài)充分考核不同海域、不同海況及洋流條件下，羅經(jīng)的自主工作能力，特別是在復(fù)雜環(huán)境及邊界條件下。本文在借鑒國內(nèi)外慣性導(dǎo)航試驗方法的基礎(chǔ)上，充分考慮時間成本、資源成本及經(jīng)濟(jì)成本，提出1 種適合船用光學(xué)陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)的試驗鑒定方法，在技術(shù)狀態(tài)一致的前提下，可提高利用試驗信息的綜合效率，采用海陸結(jié)合一體化、綜合評估的試驗?zāi)Ｊ健９鈱W(xué)陀螺羅經(jīng)試驗鑒定模式總體框圖，如圖4所示。

圖4 光學(xué)陀螺羅經(jīng)試驗鑒定模式總體框圖Fig.4 General block diagram of optical gyrocompass test identification model

1）陸上試驗與海上試驗相結(jié)合

若要提升光學(xué)陀螺羅經(jīng)的精度并提高其可靠性，必定會使試驗考核周期有所延長。由于試驗航區(qū)，海況條件和載體保障能力有限，在海上完成機(jī)動條件下的測量存在一定難度，尤其是對復(fù)雜環(huán)境下的艦船大幅值偏航、搖擺、升沉以及大機(jī)動條件等。單純的海上試驗無法實現(xiàn)全面考核，因其不僅增加了海上試驗的風(fēng)險，同時也加大了試驗難度，因此，開展陸上試驗，進(jìn)行相關(guān)項目的考核就尤為必要。

基于光學(xué)羅經(jīng)試驗周期長、全天候，海域范圍大和自成體系的特點，光學(xué)羅經(jīng)試驗可通過陸上試驗和海上試驗2個階段來完成，整個試驗以海上試驗為主，陸上試驗為輔。海上試驗主要對光學(xué)羅經(jīng)在實際航行中的重要性能指標(biāo)（如精度指標(biāo)）及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行考核，摸清復(fù)雜環(huán)境及邊界條件下光學(xué)羅經(jīng)系統(tǒng)的主要性能特點；陸上試驗主要針對海上試驗中因?qū)嵤├щy而無法充分考核的項目或根本不具備考核條件的項目進(jìn)行的補充試驗，它是依托陸上模擬仿真系統(tǒng)，陸上實驗室條件及試驗車等進(jìn)行復(fù)雜干擾環(huán)境構(gòu)建、邊界條件模擬考核、故障分析等，主要完成慣性器件測試與標(biāo)定、搖擺試驗、升沉試驗及沖擊試驗。

2）內(nèi)場試驗與外場試驗相結(jié)合

外場試驗受限因素多、實施難度大，存在一定安全風(fēng)險。對于重要指標(biāo)來說，若外場不具備考核條件或效費比較低，可通過內(nèi)場試驗得到充分考核或驗證；對于內(nèi)、外場均可實施的試驗項目而言，可根據(jù)權(quán)重，設(shè)計分配內(nèi)、外場試驗項目進(jìn)行考核。內(nèi)場試驗以實驗室試驗為主，包括高低溫、鹽霧、沖擊、振動、電磁兼容試驗等，并對環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性等指標(biāo)進(jìn)行考核。

3）綜合評估

通過陸上和海上試驗獲得的數(shù)據(jù)，對光學(xué)羅經(jīng)總體性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，可改變以往由單一海試結(jié)果決定羅經(jīng)精度性能評估的模式。將陸上、海上試驗結(jié)果以加權(quán)平均的方式給出系統(tǒng)綜合評定指標(biāo)，以提高羅經(jīng)精度的最終評估準(zhǔn)確性和全面性。

4 試驗設(shè)計的關(guān)鍵條件

4.1 試驗航區(qū)及機(jī)動條件設(shè)計

光學(xué)陀螺羅經(jīng)適用于各種類型的艦船，主要以保障其安全航行為主。光學(xué)陀螺羅經(jīng)需要具有全球范圍內(nèi)的航行能力，包括在公海、沿海以及極地地區(qū)[5-6]。在試驗設(shè)計時，要充分考慮緯度變化對系統(tǒng)精度的影響。傳統(tǒng)的試驗方法中，試驗海域單一，緯度跨度小，不能充分激發(fā)系統(tǒng)誤差特性。該方法將選擇緯度跨度大的海域作為試驗航區(qū)，如高低緯海域（極地地區(qū)和赤道），這樣既有近海海域又涉足遠(yuǎn)海海域。試驗航區(qū)設(shè)計應(yīng)充分考慮將合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性相結(jié)合的原則，保證達(dá)到試驗?zāi)康摹?/p>

光學(xué)陀螺羅經(jīng)處于不同的工況（海況）下會表現(xiàn)出不同的誤差特性，因此，設(shè)計不同的艦船機(jī)動方式，可以充分激勵羅經(jīng)系統(tǒng)在試驗過程中出現(xiàn)最大誤差（顯著影響試驗結(jié)果），這樣可最大程度地掌握系統(tǒng)特性，以此摸清光學(xué)陀螺羅經(jīng)的性能邊界。該方法在機(jī)動適應(yīng)條件考核指標(biāo)中對每個樣本增加了機(jī)動次數(shù)和機(jī)動樣式的設(shè)計，如機(jī)動次數(shù)不少于3次，機(jī)動樣式采取混合機(jī)動和大機(jī)動相結(jié)合的方式，混合機(jī)動應(yīng)包括勻速直航、變速和旋回等運動，每種機(jī)動運動時間依實際情況設(shè)計。

4.2 試驗樣本的確定

指標(biāo)考核試驗中，試驗樣本之間相關(guān)緊密，并非獨立。試驗樣本設(shè)計的合理性直接影響其對系統(tǒng)性能指標(biāo)評定的結(jié)果。光學(xué)羅經(jīng)的精度指標(biāo)均符合正態(tài)分布，1個有效試驗航次記為1個試驗樣本，試驗樣本過少，即航次越少，與正態(tài)分布的差異就越大，這樣就不能充分反應(yīng)系統(tǒng)的性能特性，難以取得具有統(tǒng)計意義的試驗結(jié)論，從而失去了試驗評定的意義[7]。試驗樣本過多，即航次過多，這樣就會提高試驗風(fēng)險和成本，增加試驗周期。

通常情況下，慣導(dǎo)試驗樣本數(shù)量應(yīng)不小于8個，考慮到近年來國內(nèi)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的飛速提升，保精度時間越來越長，外場試驗測量難度加大，人力、費用消耗大等因素，在試驗置信度為95%的情況下，可將期望均值置信限提高為1.5 倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差，來達(dá)到降低試驗次數(shù)的目的，但至少不能少于3次。

本文提出根據(jù)慣導(dǎo)誤差特性與規(guī)律，優(yōu)化調(diào)整不同樣本測試數(shù)量與時長，采取長短樣本結(jié)合的模式，研究各類樣本之間的相關(guān)性，根據(jù)長航時與短航時系統(tǒng)性能呈現(xiàn)的關(guān)聯(lián)性，增加短航時樣本數(shù)量，并利用短航時樣本預(yù)測長航時系統(tǒng)性能，減少長航時樣本數(shù)量。在降低試驗總時長的同時，確保試驗性能測試的充分性，提高海上試驗效率。

5 試驗驗證

根據(jù)上述總體試驗方案和試驗設(shè)計的關(guān)鍵條件，進(jìn)行了羅經(jīng)系統(tǒng)陸上搖擺試驗和海上航行試驗，驗證該方法的合理性和可行性。

5.1 陸上搖擺試驗

將光纖陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)安裝在三軸搖擺轉(zhuǎn)臺上，設(shè)置三軸轉(zhuǎn)臺的各項搖擺指標(biāo)（包括內(nèi)外框幅值、周期、轉(zhuǎn)臺方位）。設(shè)置好參數(shù)后，轉(zhuǎn)臺的3個軸同時進(jìn)行搖擺運動，在搖擺過程中，分別設(shè)計大幅度搖擺和小幅度搖擺交叉的方式，以模擬不同海況條件。按照羅經(jīng)系統(tǒng)工作方式進(jìn)行樣本設(shè)計，分為A、B、C 三大類，每類樣本時長2 h，根據(jù)指標(biāo)的優(yōu)先級確定A、B 類樣本做8 個，C 類樣本做3 個，數(shù)據(jù)錄取裝置全程記錄試驗數(shù)據(jù)。記錄啟動時間，按指標(biāo)要求進(jìn)行航向、縱搖、橫搖誤差（MAX）的統(tǒng)計，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

5.2 航行試驗

為了進(jìn)一步驗證方案的合理性，搭載某船進(jìn)行海上驗證試驗，以單軸慣性導(dǎo)航設(shè)備為基準(zhǔn)進(jìn)行參照，在航行過程中進(jìn)行初始對準(zhǔn)，按計程儀速度組合和GPS位置+計程儀速度組合2種方式進(jìn)行考核，分別記為樣本A 和B，采取B 短樣本與A 長樣本結(jié)合的試驗設(shè)計方法，在每個樣本航行期間結(jié)合混合機(jī)動和大機(jī)動條件考核主要指標(biāo)的動態(tài)精度，每種機(jī)動時間不少于15 min，實際試驗鑒定具體機(jī)動時間可視情完成。數(shù)據(jù)錄取裝置全程記錄試驗數(shù)據(jù)，記錄啟動時間，按指標(biāo)要求進(jìn)行航向、縱搖、橫搖誤差（MAX）的統(tǒng)計。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。根據(jù)考核要求，綜合陸上搖擺試驗和海上試驗結(jié)果，充分驗證了該方法科學(xué)合理，具有可行性和可操作性。

6 結(jié)束語

本文在對光學(xué)陀螺羅經(jīng)工作機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)深入分析的基礎(chǔ)上，提出滿足光纖陀螺羅經(jīng)試驗鑒定需求的試驗理念和試驗?zāi)Ｊ剑迷摲椒ㄟM(jìn)行試驗設(shè)計，對試驗設(shè)計中的關(guān)鍵條件和重要指標(biāo)考核因素等重點方面進(jìn)行詳細(xì)的分析與闡述，最后通過陸上和海上試驗，驗證該方法科學(xué)合理，具有可行性和可操作性，在試驗鑒定工作中具有一定的實踐意義。該試驗方法在實施的過程中還可能會面臨諸如因試驗所需真值測量設(shè)備可選范圍越來越小而帶來的試驗測試手段不完備，試驗保障能力不足、環(huán)境不逼真帶來的對復(fù)雜環(huán)境及邊界條件下考核不充分等問題，后續(xù)會針對上述問題重點開展復(fù)雜環(huán)境及邊界條件仿真試驗及評估方法研究。