慣性導航設備動態標校方法

雷 雯，陳楊科

（海軍裝備部駐湘潭地區軍事代表室，湖南湘潭 411100）

0 引言

艦船慣性導航設備是利用慣性器件來確定艦艇的艏向、位置和速度的自主式導航設備，是全天候導航設備，具有工作不受地域、氣象條件限制和外界的各種干擾等突出優點。慣性導航設備是當前海軍最主要的導航設備，其性能優劣關系到艦船航行安全和作戰武器設備的性能。慣性導航設備（包括激光慣導、平臺羅經和局部基準等）上艦時航向和水平安裝標校精度是影響慣性導航設備性能一個重要的環節[1]。所以長期以來，慣導設備準確標校方法始終是海軍和設備研發單位十分關注的問題。

根據艦船狀態慣性導航設備安裝標校主要分靜態和動態標校2種[2-3]，其各自的條件及性能優劣情況見表1。

表1 動態標校環境優缺點對比表

由表1可知，動態特別是碼頭系泊情況標校對于整體進度和要求有很明顯的優勢，但受標校方法的限制使得標校精度不高。因此，長期以來，導航設備的標校只能在船塢內進行，導致設備存在標校周期長、程序復雜、難度大、不能按需要及時予以標校等問題。

傳統的慣性導航設備的標校方法是在靜態條件下通過經緯儀和水平儀等測量儀器配合，利用機械調整方式完成安裝標校。這種標校方式可以滿足大部分平臺羅經等中低精度導航設備的標校要求，但難以滿足高精度慣性設備標校要求[4-5]。因此，亟需針對慣性導航設備特點研究出一個艦船在靜動態條件下實現慣性導航設備高精度標校方法，解決傳統標校方法帶來的問題。

本文提出的數字化安裝標校方法是結合目前主流艦艇激光慣性導航設備的工作原理及結構形式提出的一種滿足艦船靜動態條件高精度的標校方法，主要解決了動態精度不高的問題，同時大大減少標校時間，提高適裝性。

1 標校原理

艦載慣性導航設備標校是通過特定的儀器儀表，采用合理的安裝標校方法使慣性導航設備輸出基準與艦基準相互一致的過程[6]。因此，要討論安裝標校方法首先需從設備輸出基準和艦基準開始研究。

1.1 基準建立

艦基準包括方位基準和水平基準，艦船方位基準主要由艦方位基準鏡或艏艉刻線表征，方位基準鏡是艦船建造時安裝，其法線方向通過光學方法將艦船中心艏艉線引入得來，其安裝結構見圖1。水平基準由艦水平基準平臺表征，如圖2所示，延艦船艏向方向相對于地平的傾角為縱傾角，垂直于艏向方向的右舷相對于地平傾角為橫傾角。艦基準坐標系與地理坐標系一致，定義艏高為正，左舷高為正。

圖1 艦方位鏡安裝示意圖（單位：mm）

圖2 艦水平基準俯視圖

由方位鏡和艦水平基準即構成艦基準坐標系（O-xbybzb）。如圖3所示，艦基準坐標系x軸指向右舷，y軸指向艦艏，z軸依右手坐標系向上。

圖3 艦基準坐標系圖

1.2 慣導設備基準建立

以艦艇激光慣性導航設備為例，設備輸出基準包括方位基準和水平基準。如圖4所示，設備方位基準由圖中標識的標校鏡表征，水平基準由紅色的水平檢測平臺表征。慣性設備在生產調試時通過數學方法將慣性本體輸出統一到標校鏡和水平檢測物理平臺上。通過陀螺經緯儀對準標校鏡測量和水平儀在水平檢測平臺上的測量得到的值與設備輸出的方位、水平值一致，因此設備上的標校鏡和水平檢測平臺共同構成了慣導設備的輸出基準。

圖4 慣性裝置示意圖

2 傳統安裝標校方法

傳統慣導設備安裝標校方法見圖5，主要是基于電子陀螺經緯儀、差分水準儀和方位基準鏡進行慣性安裝和對準的精度控制方法。設備出廠時提供平臺坐標系方向基準和水平基準其方位和水平標校方法如下。

圖5 傳統標校方法示意圖

1）方位標校調整如圖6所示，A為陀螺經緯儀光管中“十”字分劃板，B為A經過艦方位基準鏡反射后回來的像，C為A經過艦方位基準鏡和慣導標校鏡兩鏡子反射回來的像。標校時需先將調整陀螺經緯儀先將B與A完全重合，此時陀螺經緯儀的讀數即為艦方位真值。A、B重合后再次挪動慣導平臺上的方位和水平環架機構使C像與A、B重合即認為設備方位與艦基準方位對齊。

圖6 方位標校示意圖水平調整

2）水平標校調整

在方位對齊后利用慣性水平基準以及艙室主水平基準面進行水平調整，沿同一方向正反兩次分別將差分水平儀安放在檢測主基準面和慣性平臺被測面，所測傾斜角值取均值，一般在設備底座與安裝基座間用楔形墊塊調整水平。

水平標校調整主要存在以下2個難點：

（1）方位與2個水平方向共同構建慣導的平臺的輸出坐標系，當方位調整滿足要求后，水平任意一個方向調整都會對方位和水平另一個方向造成影響，因此需要反復調整才能滿足對齊精度要求。

（2）設備方位、水平與艦船方位基準、水平基準對齊后，需利用劃線工具，確定慣性平臺基座墊塊連接螺栓的位置，移去慣性平臺設備進行現場配鉆。在慣性與基座固定后，應再次按上述步驟調整并復核方位和水平對齊精度，實際標校時往往因艙室空間限制調整難度很大。

傳統標校方法標校精度，慣性方位與艦船方位基準對準精度在±30″內，水平精度在±1′內。

3 動態安裝標校方法

3.1 動態標校原理

圖7 設備安裝誤差角示意圖

數字化動態標校即找出兩坐標系之間的歐拉角ΔH、ΔP、ΔR，將歐拉角參數輸入到設備配置參數中，設備軟件根據配置參數即可使得設備輸出與艦基準保持一致。

3.2 動態標校流程

動態標校是指在船因完全下水使得測量儀器無法取得艦方位與水平姿態絕對基準值情況下而采用的一種標校方法，與靜態標校方法類似，包含方位和水平調整。

1）方位調整

艦方位基準鏡與設備方位基準鏡不在同一線上時采用如圖8所示的方式標校。將甲板經緯儀A、B分別放置在合適的位置，分別將兩經緯儀調水平，能分別與甲板基準鏡及慣性裝置標校鏡準直，經緯儀讀數分別為θA1、θB2，再將兩經緯儀進行互瞄準，其角度值為θA2、θB2，分別代入下列式中，微調慣導基座，使ΔH小于0.5°，即滿足設備方位安裝精度要求：

圖8 動態標校方位標校示意圖

2）水平安裝

將慣性裝置上殼體移開，用差分水平儀分別放置艦水平縱向基準面和慣性裝置水平檢驗平臺縱向基準面上，微調慣導安裝面使得差分水平儀在縱向方向的讀數值ΔP控制在±0.5°以內。同理，測量橫向方向差分水平儀的讀數值ΔR也控制在±0.5°以內，即滿足設備水平姿態的初標精度要求。其示意圖見圖9。

圖9 動態標校水平標校示意圖

3）方位與水平標校

通過初標，設備方位和水平在機械上與艦方位和水平基準值偏差分別控制在0.5°和0.5°以內，為使設備標校精度更高同時減少機械調整工作量，采用數字標校方式實現設備精標。步驟如下：

（1）設備開機穩定兩小時后讀出設備輸出的縱橫搖和航向P、R、H。

（2）將偏差角（ΔH,ΔP,ΔR）通過設備。

（3）顯控發送裝置裝訂，即實現慣導設備與艦基準統一。

動態標校精度在方位和水平上基本控制在20″以內。其誤差主要是由于設備慣性本體與其水平方位基準之間的取齊偏差。

3.3 標校方法對比

本文提出了一種艦艇高精度航向和水平姿態測量和標校模型, 并根據該模型制定了高精度航向和水平姿態初始標校方案，解決了慣性導航設備在艦船靜動態條件下高精度的標校問題，為提高導航設備的精度提供了全新的、有效的方法。新方法與傳統標校方法對比見表2。

表2 標校方法對比表

4 實船交驗

結合某任務加裝在系泊狀態下激光慣導采用動態標校方法完成設備安裝標校工作，采用差分水平儀測出艦水平基準面和設備水平檢測平臺之間的差值，用光學經緯儀測出設備標校鏡與艦方位基準鏡之間的差值，因差分水平儀動態條件下存在隨機誤差，通過3次測量取平均值，并將平均值裝訂到設備中完成設備動態標校。進船塢半坐墩后用陀螺經緯儀測出艦方位基準鏡方位值，水平儀測出艦水平基準面縱橫方向兩個值，將以上3個值與設備輸出航向、縱橫搖值進行比對，統計偏差值作為設備動態標校精度，其統計結果見表3。

表3 動態標校結果表

5 結論

本文提出的高精度航向和水平姿態初始標校方案，解決了傳統標校方法存在對船體狀態要求高、周期長、機械調整難度大、程序復雜、僅能在靜態環境下標校，且標校精度不高等問題。更重要的是解決了在艦船靜動態條件下高精度的標校問題，為提高導航設備的精度提供了全新的、有效的安裝標校方法。

1）數字化標校方法是建立在捷聯慣導（激光、光纖等）的技術基礎上高精度標校方法，具有廣泛的通用性、先進性。

2）相對于傳統的標校方法數字化安裝標校方法要求低、操作簡單、精度高，所內試驗和實船交驗情況充分證明了數字化標校方法的正確性和優越性。

3）數字化動態標校方法最主要的優點是解決了設備在艦船動態條件下的高精度安裝標校問題，為激光慣導、光纖慣導等導航產品的外場安裝標校工作奠定了重要的理論基礎，具有重要工程實用價值。