艦艇彈性變形實時測量系統研究*

劉國勤 陳敏康

(海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室 上海 200021)

1 引言

圖1是戰斗艦艇典型火炮武器系統的布置示意圖[1]。該艦炮武器系統的工作原理是由搜索雷達A通過本艦作戰指揮系統給艦炮跟蹤雷達B作出目標指示,跟蹤雷達將跟蹤并測得的目標參數送至火控臺,火控臺根據目標參數、彈道特性和平臺羅徑C給出的本艦參數,解算出射擊諸元,艦炮D到指令位置實施火力攻擊。

圖1 典型艦炮武器系統艦上布置圖

艦艇在海上航行,受到了波浪、涌等載荷的綜合作用,作為彈性物體,艦艇必然發生彈性變形,因而圖1中A、B、C、D處的首尾線方向和縱橫搖姿態角是各不同的。艦載武器系統往往由多個設備組成,布置在艦艇不同層甲板、不同部位,以往艦載武器系統射擊、導引諸元解算中,往往將船體作為剛體來處理,只考慮了艦艇在海上的剛體運動,而沒有考慮不同位置間的相對位移,這種簡化處理將影響武器系統作戰效能的正常發揮,甚至造成武器完全失效。隨著艦炮武器系統、艦載導彈武器系統精確打擊性和綜合打擊能力的提高,武器對載艦航向姿態信息準確性、穩定性等戰術技術要求不斷提高[2]。同時,隨著艦艇排水量、主尺度的不斷加大,艦艇波浪中航行時彈性變形也有增大的趨勢,武器精確打擊和艦艇彈性變形之間的矛盾日益突出。本文進行波浪中實船彈性變形測量,分析變形特征,研究艦艇彈性變形規律,從而為最終滿足武器和信息感知設備對航向姿態信息實時性、準確性的要求打下基礎。

2 艦艇彈性變形測量設備分析

由于關心的是艦艇彈性變形對于作戰能力的影響,而變形對武器的影響是通過武器和信息感知設備位置處的航向角、姿態角變化反映出來的,因而艦艇各位置處的航向角、姿態角是研究的重點,本文最終需要測量的是艦艇各部位處的轉角信號或其變化量。

捷聯垂直參考基準裝置(以下簡稱捷聯裝置)是利用慣性元件、基準方向以及初始位置信息來確定載體的航向姿態基準、位置和速度等信息的自主式慣性系統[3]。慣性系統依據牛頓慣性定律,利用慣性元件陀螺儀和加速度計來測量運動物體的角運動量和線加速度,從而獲得載體的姿態、位置等信息。捷聯裝置工作原理如圖2所示。捷聯裝置的基本工作原理是由陀螺儀測得角速度信息,經誤差補償后,求得姿態角速度信號,同時計算機解算出姿態矩陣,然后將加速度計測得的“比力”信息,轉換成地理坐標系軸向的加速度信息,再由計算機解算,便可求得載體的3個線速度,同時從姿態矩陣中提取3個姿態角信息。捷聯裝置有許多優點,如相對平臺羅經來說,價格低,設備小巧,安裝靈活。

圖2 捷聯垂直基準裝置工作原理示意圖

目前世界上大多數國家都采用如下方法修正艦艇動態變形,在大中型戰斗艦艇武器系統相關設備處布置捷聯裝置,為相關武器系統提供火控系統解相遇問題和傳感器穩定控制系統所需要的航向角、縱搖角和橫搖角等信息[4]。

平臺羅經是陀螺羅經和陀螺穩定平臺有機結合的多功能慣性裝置,它是一種典型的三自由度穩定平臺,在艦艇上既提供了子午面基準,又提供了水平面基準,實時記錄、存儲和信息輸出都很便利。一般來說,平臺羅經的精度與捷聯裝置的相當或還要高一些,而啟動穩定時間要長許多。

物體水平姿態角的測量還可以用象限儀、電子水平儀等儀器進行,法國E.D.A.2000型電子差分水平儀的單測精度達到1角秒、差分測量精度為2角秒。但由于它們或對搖擺幅度有限制,或精度較差,又無法實時連續記錄數據,在運動中的艦艇上用它們測量是不可行的。

捷聯裝置和平臺羅經可以精確測量艦艇航行時所在安裝部位的航向、姿態信息,實時性好,存儲便捷,在某型船各主要位置已經安裝,因而是該船進行艦艇彈性變形測量的最合適儀器。

3 艦艇彈性變形實時測量系統構建及測量方案設計

圖3是我們建立的某船彈性變形實時測量系統,捷聯裝置1—捷聯裝置5和平臺羅經分別位于距艦尾 0.28l、0.50l(左舷、右舷各一)、0.55l、0.78l、0.56l(這里 l為船長,以下同)。捷聯裝置 1測量該船2#雷達位,捷聯裝置2和捷聯裝置3測量2#炮位和3#炮位,捷聯裝置4測量1#雷達位,捷聯裝置5測量1#炮位,平臺羅經測量該船基準部位,中心處理機實時同步采集并存儲各測量儀器測得的數據。

圖3 某船彈性變形實時測量系統信息流程框圖

艦艇彈性變形是波浪、涌、日照溫差等多種因素綜合影響的結果,為了便于分析,每一種測量工況最好包含的變形影響因素只有一個是變化的,或影響因素相對獨立。測量儀器和整個測量系統的誤差如果大了將影響測量的真實性,因而必須提高測量系統精度,進行考慮靜態誤差和動態誤差的分離[5]。

艦艇彈性變形測量系統的靜態誤差Ee指測量系統在被測艦艇處于自由、靜止狀態時的總測量誤差,是測量儀器在被測艦艇靜止狀態時的工作誤差Eae、儀器在船體上的水平安裝誤差Ehe、艏艉方向不一致誤差Eoe、測量系統傳輸誤差Ete和數據處理誤差Epe的總和。其動態誤差Ed指測量系統在被測艦艇海上航行時的測量誤差。以上各參數間的關系可用式(1)～(2)表示

由此,我們設計了三種測量工況:被測艦艇塢內半坐墩、碼頭系泊和海上航行。被測船彈性變形實時測量系統靜態誤差在塢內半坐墩測量工況下進行獲取和調整。這時被測船在塢內靜水中坐于墩木上靜止不動(艦艇受到約80%水浮力、約20%墩木支撐力)且處于自由狀態,艦艇的裝載及分布與正常航行時一樣,氣溫、風力等環境條件變化緩慢,一般選擇在晚上進行。首先進行各捷聯裝置和平臺羅經的機械零位調整,然后進行電氣零位的調整,此時將各捷聯裝置和平臺羅經加電啟動,待其穩定工作后,連續測量航向、姿態信息并將信息存儲起來。對每一捷聯裝置和平臺羅經測得的航向、姿態數據進行分析處理:剔除奇異數據,求取誤差的算術平均值和均方根值,航向以架設在艦艇露天甲板上、艦艇首尾基準線上的高精度陀螺經緯儀測得的數據為真值。

碼頭系泊時的半動態測量也很重要。此時由于碼頭的水流是運動的,與靜態測量不同的是這時測量裝置的測量值雖然數值不大但卻是連續變化的。在流水相對平靜的碼頭,各測量設備測出的對應航向、姿態信息曲線應同相位、同周期、同幅度。如某儀器測量結果有異常情況,則要認真分析原因。

海上動態測量是在艦艇航行時進行船體各部位航向、姿態角參數的實時采集和錄取,并且最好選擇在五級左右海況時進行,因為此時船體彈性變形比較明顯,有利于測量數據的處理和分析。本文通過實時記錄各測量點(距某船尾部0.28l、0.50l(左、右舷各一)、0.55l、0.56l和 0.78l六個點處的各布置了一個測量裝置)的航向姿態角信息(航向角、縱搖角和橫搖角),并將測量結果進行處理,得到該船動態變形的特點和規律。動態測量工況包括某一海況下船的主要工況,分別有勻速直線航行、勻速回轉航行、勻速減搖航行和任意姿態航行,以及武器射擊和二到三種不同海況下艦艇勻速直航、勻速回轉。

4 測量數據處理及分析

按照以上測量方案,進行了某船彈性變形實時信息測量,測量工作分為三步,即首先進行塢內測量,完成測量系統靜態誤差校正工作,然后進行碼頭系泊測量,最后開展海上航行測量,獲得了大量的試驗數據。將原始數據進行規范化預處理后可得到統一格式、步長、量綱的時序排列的各位置的航向值、縱搖值和橫搖值。圖4是1#、2#火炮炮位和搜索雷達位置縱搖角的曲線。從實船測量結果來看,該船彈性變形實時測量系統同步性、實時性滿足要求,因而該測量系統以及測量方案是正確、合理的,可以用于實船的轉角測量。

測量數據的分析處理采用時域分析和頻域分析二種方法。時域分析根據測得數據繪制航向姿態角時序圖,將各點的航向或姿態角信息(比如縱搖角)繪制在一張時間幅值圖上。以圖4為例,2#、3#火炮部位和2#雷達部位的縱搖姿態角,周期相同、相位相同、幅值有差異,幅值差異主要反映了不同位置的相對變形。分析表明,所測數據有效,其規律性符合以前試驗、訓練實際情況。同時可以看出該船剛性較好,變形較小。頻域分析采用快速傅利葉分析,對某一時序曲線進行具體分析。分析可以得到航向姿態角測量曲線包含的頻域成分,尤其是可以得到航向姿態測量設備的減振器選擇和濾波處理方法、參數選擇是否合理,是否將有用成分濾除。

圖4 2#、3#火炮炮位和2#雷達位縱搖角曲線

5 結語

艦艇的主尺度和排水量達到一定量后就不能視為剛體,而必須作為彈性體看待,否則艦載武器無法完成既定打擊任務。本文以某船為例,進行了艦艇波浪中彈性變形動態實時測量研究,取得了一些進展。由于艦艇變形影響因素的多元性,動態測量的復雜性,本文的研究工作還是初步的。如何建立波浪中艦艇彈性變形的數學模型,進行數值仿真計算,與測量結果進行比對以校核模型,最終建立全艦綜合航向姿態信息預報系統,為艦載作戰系統、武器系統提供準確的航向、姿態信息,這還在進一步深入研究中。

[1]戴自立.現代艦載作戰系統(上、下冊)[M].北京:兵器工業出版社,1989:186～187

[2]白樺,吳曉鋒.艦載指揮控制系統的效能評估[J].海軍廣州艦艇學院學報,1991(2):31～32

[3]袁信,等.捷聯式慣性導航原理[M].北京:航空專業教材編審組,1985:18～20

[4]余立志.慣性技術在艦炮武器系統中的應用[J].艦船科學技術,1995(6):25～26

[5]宋明順.測量不確定度的評定與數據處理[M].北京:中國計量出版社,2000:48～50