一種水面艦船慣性導航系統實船測量方案設計

魏學通，郁聰沖，溫朝江

（92941部隊43分隊，葫蘆島 125001）

0 引言

位置、航向、水平姿態和速度精度是水面艦船慣性導航系統的關鍵指標，為水面艦船的指揮控制、武器系統和艦載機起降提供必需的信息支撐［1］。對于慣性導航系統實船測量，在諸多保障條件中，最為突出的是測控系統，對慣性導航系統主要輸出參數的誤差進行實時動態測量，它是測量信息獲取的核心保證手段。實時采集慣性導航系統和測量設備的輸出信息，給出慣性導航系統輸出參數的瞬時誤差，如位置誤差、航向誤差、水平姿態誤差和其他誤差，對慣性導航系統進行評價［2?3］。 目前，測量手段僅能實現對位置、 速度精度的測量，而無法完成對航向、水平姿態等其他重要指標的測量［2?5］。 為滿足水面艦船慣性導航系統航向、水平姿態等重要指標的實船考核需求，本文根據多型艦船慣性導航系統實船安裝特點設計了一種適裝性好的航向和姿態實船測量方案，并對測量設備的構建和加裝進行了論證設計，對測量設備標稱的性能指標介于被試品1～3倍性能指標情況下的航向和水平姿態誤差數據處理方法進行了研究設計，為水面艦船慣性導航系統導航參數的全面實船測量提供技術支撐。

1 測量設備實船加裝方案設計

1.1 實船安裝特點對測量設備加裝的影響分析

慣性導航系統是具有零位對準要求的高精度導航設備，其位置、航向和水平姿態均具有起始零位。因此設備裝船時，具有零位基準的設備（如慣性平臺、監控器平臺）安裝在首尾線上。慣性導航系統的主要配套設備（包括慣性平臺、控制機柜、電源機柜、監控器）一般就近配置，避免電纜過長信號衰減或受到干擾。測量載體的首尾線（方位）基準和水平基準平臺在造船時一并給出。水平基準平臺的給出相對比較容易，在艦船坐墩期間，將在車間加工好的水平基準平臺直接在主龍骨上的適當部位墊平，用傾斜儀或合像水平儀進行測量，經過反復測試調整后用電焊機焊牢，技術人員通過刮、研等方法使其達到水平精度要求。水平基準平臺的首尾線方向必須與載體的首尾線平行，測試時以便保證儀器使用精度。為了保證水平基準平臺的使用壽命和精度，臺子底部應加固并焊在主龍骨（總的基準平臺）或肋骨（其他基準平臺）上，且上部加防護罩避免摩擦和碰擊。水平基準平臺的水平精度應不低于1′（包括安裝和加工精度）［2?3］，其示意圖如圖 1 所示。

圖1 水平基準平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal reference platform

水面艦船慣性導航系統實船測量主要考核定位精度、速度精度、航向精度、水平精度、角速度精度、授時精度及艦機對準能力等。其中，航向精度、水平精度和角速度精度的考核需通過加裝測量設備來實現［6］。實船上的慣導艙室聯合基座一般未預留加裝位置，測量設備無法直接通過聯合基座加裝。因此，在設計加裝方案時所選取的加裝位置和采用的固定方式應最大限度減少船體變形對姿態測量結果的影響。同時，測量設備除必須滿足精度指標要求外，還應具備體積小、質量小、便攜式安裝等物理特性。

1.2 測量設備加裝設計方案

在水面艦船慣導艙室內，各慣性設備之間一般通過高強度聯合基座固定安裝，可以有效消除因船體變形造成的測量誤差［4］。這種高強度聯合基座具有較好的強度和剛度，可具備外部變形比較大的情況下基座體內部不發生形變或變化量較小的特性。考慮到多數情況下，艦船慣導艙室的聯合基座不允許實施動火、鉆孔及粘膠等安裝措施，需通過其他手段進行測量設備的加裝，并保證測量設備與慣性導航系統之間的角變形控制在可接受范圍內。本文主要提出以下三種加裝設計方案。

方案一：在慣性導航系統艏線方向的水平基準平臺上加裝過渡基座，用于安裝姿態測量設備。過渡基座機械結構采用全鋁制材料（約6.0kg），測量設備安裝面研磨精度為Ⅱ級，平面度為32μm；水平基準面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級，平面度為16μm。加裝結束后對真值測量設備與艙室內艏艉線及水平基準進行標校，將安裝精度調整到規定范圍內。

方案二：基于測量設備與慣性導航系統共基座安裝的要求，依托慣性導航系統的安裝基座，在其艉線方向加裝過渡基座用于安裝測量設備，過渡基座通過夾具夾持慣性導航系統安裝基座加強筋，使其與被試慣導實現共基座剛性固聯。機械結構采用全鋼制材料，測量設備安裝面研磨精度為Ⅱ級，平面度為32μm；水平基準面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級，平面度為16μm。加裝結束后對真值測量設備與艙室內艏艉線及水平基準進行標校，將安裝精度調整到規定范圍內。

方案三：通過安裝過渡板來實現測量設備的安裝固定，將過渡板固定在聯合基座上，測量設備通過緊固件固定在安裝過渡板上。為最大程度降低聯合基座和過渡板表面不平整及漆膜受壓變形等客觀因素對測量設備安裝緊固效果的影響，在測量設備初次安裝緊固后進行3～7天的應力釋放，應力釋放期間可視情況再次進行緊固件的緊固，以鞏固結構安裝強度，確保安裝效果。過渡板與聯合基座的安裝固定可通過自制夾具鎖緊在聯合基座的邊角上。過渡板機械結構采用全鋁制材料（約6.0kg），測量設備安裝面研磨精度為Ⅱ級，平面度為32μm；水平基準面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級，平面度為16μm。加裝結束后對真值測量設備與艙室內艏艉線及水平基準進行標校，將安裝精度調整到規定范圍內。

在海上實際使用環境下，各設備會隨著艦船運動產生不規律的震動和搖晃，方案三中 “使用自制夾具和緊固件來固定過渡板和測量設備”的方式難以保證測量設備與過渡板在使用過程中不產生位置偏移，進而導致測量誤差增大而影響測量結果；方案二能夠滿足測量設備與被試設備共基座的安裝要求，能夠最大限度消除船體變形對姿態測量精度的影響，但過渡基座需要與被試慣導基座加強筋固聯，其尺寸規格應嚴格按照被試慣導基座規格進行設計生產，無法在其他型號艦船上通用；方案一中測量設備雖然未與被試慣導共基座安裝，但一般情況下慣導艙室內的水平基準安裝基座與慣導設備距離較近，且均安裝在剛性較好的艦船龍骨結構上，在測量過程中因船體變形產生的誤差較小（可忽略不計），過渡基座結構設計簡單，通用性較好。因此，在三種加裝方案中，方案一可行性最佳，應優先選擇。采用方案一將測量設備通過過渡基座安裝在水平基準臺上，測量設備應具備體積小、質量小的特性。因此，選擇光纖陀螺慣導作為測量設備更加合理可行。

1.3 測量設備構建

測量設備主要提供航向、橫搖、縱搖等姿態真值信息，測量設備選用質量小、啟動快、精度高的光纖陀螺慣導，光纖陀螺慣導采用衛導組合工作模式。

在艦船慣導艙室內，在慣性導航系統艏線方向的水平基準平臺上加裝過渡基座，用于安裝測量設備。過渡基座機械結構采用全鋁制材料（約6.0kg），測量設備安裝面研磨精度為Ⅱ級，平面度為32μm，水平基準面研磨精度為Ⅰ級，平面度為16μm。測量設備安裝基座示意圖如圖2所示。

圖2 測量設備安裝基座示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement equipment installation base

2 實船測量中航向和水平姿態數據處理方法設計

2.1 數據處理方法設計

測量設備用來精確測量載艦的位置、航向、搖擺角、速度、角速度等參數，實時錄取慣性導航系統的輸出參數和測量設備的測量信息，為評價慣性導航系統戰術技術性能和作戰使用性能提供依據。測量設備的核心是艦船坐標參數的測量和數據的實時、同步采集，載艦坐標參數測量則包括位置測量、三維姿態角測量、角速度測量以及速度測量。數據錄取設備用來進行慣性導航系統與真值測量設備參數的實時采集，要求實時性強、同步精度高，通過實時給出的參數誤差數據、誤差曲線，可以表征慣性導航系統的誤差特性，數據的事后處理則是在對測量數據進行全面分析，并對奇異點數據剔除后進行誤差統計，從而更真實地反映系統的性能。

本文測量方案選用質量小、啟動快、精度高的光纖陀螺慣導（衛導組合）作為測量設備，測量設備的性能指標均應高于慣性導航系統的性能指標。對慣性導航系統進行考核，慣性導航系統的位置精度、速度精度、航向精度、水平姿態精度等測量方法和測量項目按相關規定執行，這里不再贅述。

2.2 航向和水平姿態誤差數據處理方法

一般測量設備性能指標應高于慣性導航系統性能指標三倍以上［7?9］。 針對測量設備標稱的性能指標達不到慣性導航系統性能指標三倍以上但高于慣性導航系統性能指標情況，本文提出了相應的航向誤差數據處理方法和水平姿態誤差數據處理方法［10］。

（1）航向誤差數據處理方法

1）當測量設備與慣性導航系統的航向角都比真航向角偏大或都比真航向角偏小時，數據處理方法如下

式（1）～式（5）中，m為有效測量航次數，n為每個航次的測點數，為艏向角誤差的均值，ΔHij為第j航次第i測點的艏向角誤差值，為各航次第i測點的艏向角誤差的標準差，為艏向角誤差的標準差，RMSH為艏向角均方根誤差，ΔHMax為艏向角誤差最大值。

2）當測量設備與慣性導航系統的航向角其中一個比真航向角偏大而另一個比真航向角偏小時，數據處理方法如下

式（6）～式（10）中，m為有效測量航次數，n為每個航次的測點數，Δhij為第j航次第i測點的艏向角誤差值，為各航次第i測點的艏向角誤差的標準差，為艏向誤差的標準差，RMShc為測量儀器的艏向角測量誤差（指測量儀器精度指標），RMSh為艏向角均方根誤差，ΔYhmax為艏向角誤差最大值。

凡慣性導航系統航向誤差統計值在研制總要求（或合同書）規定的技術指標范圍內（即小于或等于）的，即認為合格。

（2）水平姿態誤差數據處理方法

1）當測量設備與慣性導航系統的橫搖角或縱搖角都比橫搖或縱搖真值偏大或偏小時，數據處理方法如下

式（11）～式（15）中，m為有效測量航次數，n為每個航次的測點數，為橫搖或縱搖誤差的均值估計值，Δθij為第j航次第i測點的橫搖或縱搖誤差值，為各航次第i測點的橫搖或縱搖誤差的標準差，為橫搖或縱搖誤差的標準差，RMSθ為橫搖或縱搖均方根誤差，ΔθMax為橫搖或縱搖誤差最大值。

2）當測量設備與慣性導航系統的橫搖角或縱搖角其中一個比真橫搖角或真縱搖角偏大而另一個比真橫搖角或真縱搖角偏小時，數據處理方法如下

式（16）～式（20）中，m為有效測量航次數，n為每個航次的測點數，為橫搖或縱搖誤差的均值估計值，為第j航次第i測點的橫搖或縱搖誤差，為各航次第i測點的橫搖或縱搖誤差的標準差，為橫搖或縱搖誤差的標準差，為測量儀器的橫搖或縱搖測量誤差（指測量儀器精度指標），RMSθ′為橫搖或縱搖均方根誤差，為橫搖或縱搖誤差最大值。

凡慣性導航系統水平姿態誤差統計值在研制總要求（或合同書）規定的技術指標范圍內（即小于或等于）的，即認為合格。

2.3 仿真結果與分析

以航向誤差為例，對2.2節中數據處理方法的可行性進行仿真驗證，設定被試慣導航向精度指標為≤a（RMS）、 ≤2a（Max）。 前期，利用性能指標高于被試慣導性能指標三倍以上的測試設備對被試慣導進行測試，已測出的4套被試樣機實際航向精度為：1號機≤0.8a（RMS）、≤1.6a（Max），2號機≤0.9a（RMS）、 ≤1.8a（Max），3 號機≤1.1a（RMS）、 ≤2.2a（Max），4 號機≤1.2a（RMS）、 ≤2.4a（Max）；測量儀器航向精度為≤0.5a（RMS）、 ≤a（Max）。

各樣機均進行1000次仿真測試，每次測試做500個樣本，各樣本時長為30min。按照測量設備和各樣機實際精度仿真生成測試數據，各樣本中同一序號測點的誤差符合正態分布，根據實際精度計算的各設備正態分布參數如表1所示。

表1 測試和被試設備的誤差及正態分布參數Table 1 Error and normal distribution parameters of test and tested equipments

利用仿真數據，按照測試設備和被試樣機的航向值在真航向值同側和兩側兩種情況分別進行仿真數據誤差統計，各樣機誤差統計結果如圖3～圖6所示。

圖3 1號機仿真結果統計Fig.3 Simulation result statistics of 1sttested equipment

圖4 2號機仿真結果統計Fig.4 Simulation result statistics of 2ndtested equipment

圖5 3號機仿真結果統計Fig.5 Simulation result statistics of 3rdtested equipment

圖6 4號機仿真結果統計Fig.6 Simulation result statistics of 4thtested equipment

由仿真結果可知，本文數據處理方法得到的誤差統計結果與前期采用性能指標高于被試慣導性能指標三倍以上測試設備所得到的實際測試結果基本一致，可以據此判定被試慣導是否符合指標要求，從而證實了本文中航向和水平姿態測試數據處理方法的合理性和可行性。

3 結論

本文基于水面艦船慣性導航系統測量需求，通過分析慣性導航系統實船安裝特點，提出了一種適裝性較好的測量方案。同時，也對測量設備性能指標達不到慣性導航系統性能指標三倍以上但高于慣性導航系統性能指標情況下的航向誤差數據處理方法、水平姿態誤差數據處理方法進行了研究設計。仿真結果表明：數據方法合理可行，可為水面艦船慣性導航系統實船測量提供支撐，具有很好的推廣應用價值。