馬馳新 劉素珍

（92941部隊95分隊 葫蘆島 125001)

1 引言

艦船甲板變形［1］的原因包括三個方面：一是由于艦艇載荷的變化導(dǎo)致重力分布發(fā)生變化；二是溫度變化、艦船鋼板疲勞和結(jié)構(gòu)變化；三是平臺運動過程中收到海浪沖擊、武器發(fā)射產(chǎn)生的沖擊，導(dǎo)致平臺撓曲。其主要影響是造成用戶設(shè)備所處地域安裝的導(dǎo)航設(shè)備或武器裝備的水平、方位基準(zhǔn)與艦船主慣導(dǎo)部位的水平、方位基準(zhǔn)［2］間出現(xiàn)偏差，直接影響試驗和使用效果。艦船變形對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)海上試驗影響很大，但其破壞作用主要發(fā)生在被試慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中具有零位基準(zhǔn)的設(shè)備安裝基座和測量設(shè)備安裝基座的局部變形?；诩す馔勇菰淼淖冃螠y量系統(tǒng)就是為消除其對試驗的影響而設(shè)計的。

2 激光陀螺工作原理

激光陀螺是一種光學(xué)陀螺，通過光波頻率差測量角速度，是一種新型的慣性器件［3］。把一個光學(xué)頻率的振蕩器組裝成一個激光器［4］?？捎?面鏡子構(gòu)成三角形的光路。如果在光路的任何一點上產(chǎn)生一條光束，它便可以沿著這條閉合光路船舶，一次在每個鏡面處反射，然后又回到起始點。當(dāng)返回的的光束與發(fā)出的光束相同時，便會發(fā)生持續(xù)的光學(xué)震蕩。兩條這樣的光束獨立形成，一條順時針方向行進，另一條逆時針方向行進。當(dāng)敏感器在慣性空間里固定不動時，兩條光束具有同樣頻率，當(dāng)敏感器繞垂直于光束平面的軸線旋轉(zhuǎn)時，兩條光束光程發(fā)生變化。光程較長的光束頻率降低，另條光束頻率提高，從而是每條光束頻率變化能夠維持激光器運行所需的諧振條件。

光程微小變化導(dǎo)致頻率的微小變化，差拍頻率Δv表達式為

式中，A為腔體面積；Ω為敏感器旋轉(zhuǎn)速率；c為光速；L為周長。

激光陀螺就是通過測量正反兩束光之間的頻率差來實現(xiàn)對輸入轉(zhuǎn)速的測量［5］。

3 形變測量的原理

基于激光陀螺具有高精度的角位置測量能力，通過三個相互正交安裝的激光陀螺構(gòu)成的組合體（LGU)可精確測量出不同位置的角度矢量。利用兩套LGU輸出的角度矢量的差值中包含的運動平臺形變角的特征，采用左右顧及方法對產(chǎn)值信息進行處理，即可獲得運動平臺的形變大小和基準(zhǔn)失準(zhǔn)角。船體角變形測量方法的基本原理是兩套LGU對同一船體角運動矢量進行測量，通過比較兩套系統(tǒng)輸出的角度測量值的差異，得到船體變形和相互之間的坐標(biāo)關(guān)系，測量原理如圖1所示。

圖1 角變形測量原理圖

→φ為總變形角矢量，→ε1和→ε2分別為激光陀螺測量誤差角速度矢量。通過引起角變形模型和激光陀螺的誤差模型，可得到如下的Kalman濾波方程。

4 系統(tǒng)設(shè)計

基于激光陀螺的變形測量方法的基本思想是基于激光陀螺具有高精度的角位置（優(yōu)于0.1″)測量能力，通過三個互相正交安裝的激光陀螺構(gòu)成的組合體（LGU)可精確測量出所在位置的三維角度矢量，利用兩套LGU分別精確測量出不同位置的角度矢量。由于這兩套LGU輸出的角度矢量的差值中包含了運動平臺變形角的特征，因此采取最優(yōu)估計方法對這個差值信息進行相關(guān)處理［6～7］，即可獲得運動平臺的變形角大小和基準(zhǔn)失準(zhǔn)角。

4.1 變形測量系統(tǒng)組成

變形測量系統(tǒng)由兩套LGU（Laster Gyroscope Unit，由三個相互正交安裝的單軸激光陀螺構(gòu)成的激光陀螺組合體的簡稱)、三組外部電源、兩部計算機、GPS天線和時統(tǒng)模塊組成。

4.1.1 慣性測量單元（IMU)設(shè)計

慣性測量單元包括三個二頻機抖激光陀螺、三個石英加速度計、數(shù)據(jù)采集板、溫控板和支撐架等，用于敏感載體三維線加速度和加速度，并采集陀螺和加速度計的輸出等；電子線路單元包括旋轉(zhuǎn)控制板和電源模塊。

IMU設(shè)計為可獨立拆裝的獨立組件，可通過四個螺釘與系統(tǒng)底板固聯(lián)，電氣接口設(shè)計為一個可拔插多芯接插件與系統(tǒng)電氣部分相連。在艦船上進行更換維護時，只需松開四個螺釘、拔掉接插件即可取下IMU。

IMU內(nèi)部分成兩大部分，即臺體和支架。其中臺體用于安裝激光陀螺和加速度計，支架用于支撐臺體，臺體和支架之間通過橡膠減振器連接，從而隔離慣性元件與外部環(huán)境之間的噪聲互擾。此外在支架內(nèi)側(cè)表面還可設(shè)置密閉的磁屏蔽材料，將慣性元件與外部磁干擾環(huán)境隔離。

為使安裝誤差標(biāo)定［8］和維修更換有基準(zhǔn)，IMU支架外側(cè)有供定位用的水平和方位基準(zhǔn)靠面。

4.1.2 時統(tǒng)模塊

圖2 時統(tǒng)單元組成框圖

時統(tǒng)模塊包含GPS接收機，主要作用測量設(shè)備提供速度數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、秒脈沖和時標(biāo)信息。利用授時GPS組成時統(tǒng)分系統(tǒng)，時統(tǒng)分系統(tǒng)主要由高穩(wěn)定度晶振、對時線路、分頻及計時電路、延時調(diào)整線路、輸入輸出接口電路等組成。具體原理框圖如圖2所示。

銣原子頻標(biāo)輸出的信號經(jīng)放大整形處理后，進入分頻鏈進行分頻，得到1Hz的秒信號，秒脈沖信號與授時GPS接收機輸出的秒同步信號進行對準(zhǔn)。1Hz的秒信號通過對時校時處理，得到與授時GPS同步運行的時鐘秒信號，該時鐘秒信號進入單片機進行時間計數(shù)，得到年月日時分秒的時間信號，1KHz信號經(jīng)過24bit計數(shù)器得到毫秒信號。輸送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算機的數(shù)據(jù)為：年月日、時分秒、秒信號及毫秒信號等。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

GPS對時誤差 ≤1μs；

B碼對時誤差 ≤10μs；

計時電路最大延時誤差 ≤30ns；

延時調(diào)整范圍 1～999999μs。

4.2 技術(shù)方案

由于主慣導(dǎo)與子慣導(dǎo)［9］安裝于不同甲板，兩者的安裝位置之間存在甲板變形，為正確評價局部基準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，使用變形測量系統(tǒng)測量子慣導(dǎo)的安裝基座與主慣導(dǎo)設(shè)備安裝基座之間的變形。其中LGU1在捷聯(lián)安裝于主慣導(dǎo)設(shè)備旁邊，LGU2捷聯(lián)安裝于子慣導(dǎo)設(shè)備旁邊。數(shù)據(jù)錄取裝置同步錄取子慣導(dǎo)設(shè)備的姿態(tài)、位置及速度信息，主慣導(dǎo)的姿態(tài)、位置及速度信息，GPS時間信息。設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備安裝示意圖

4.3 主要戰(zhàn)技指標(biāo)

≤25″（RMS)。

5 變形測量系統(tǒng)測量精度實驗測試

5.1 測試方案

以某型測量船作為搭載試驗平臺，利用光學(xué)變形監(jiān)測系統(tǒng)作為參考基準(zhǔn)檢驗激光陀螺自主變形測量系統(tǒng)精度。兩套LGU分別安裝于聯(lián)合基座上。利用GPS時統(tǒng)模塊實現(xiàn)時間同步，利用數(shù)據(jù)處理計算機實時接收LGU輸出的單個基座的角度變形量，通過數(shù)據(jù)處理與計算得到聯(lián)合基座的相對變形量。光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)［10］主要包括發(fā)射模塊、接收模塊和光學(xué)通道，發(fā)射模塊包括平行光管，接收模塊包括CCD成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)解算單元。發(fā)射模塊、接收模塊和LGU一體安裝于聯(lián)合基座上，發(fā)射模塊的平行光管敏感聯(lián)合基座1的縱向和橫向角度變化，接收模塊的CCD成像系統(tǒng)接收平行光管發(fā)射的光線，通過成像計算后得到兩個聯(lián)合基座之間的角度變形量，與兩套LGU解算得到的角度變形量進行比對，從而達到檢驗LGU測量角度變形量精度的目的。LGU和光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)安裝示意圖如圖4所示。

圖4 變形測量系統(tǒng)與光學(xué)標(biāo)校系統(tǒng)安裝示意圖

5.2 測試結(jié)果

共進行了三個航次的試驗，其中一個航次試驗結(jié)果如圖5所示。從對比結(jié)果可以看出，光學(xué)變形測量結(jié)果與自主變形測量結(jié)果基本一致。試驗結(jié)果表明：激光陀螺變形測量系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于25″。

圖5 自主變形測量與光學(xué)測量對比結(jié)果

6 結(jié)語

本文通過對甲板相對變形測量方法研究及系統(tǒng)設(shè)計，主要測量被試裝備和測試設(shè)備之間的甲板變形，得到艦船航向和姿態(tài)信息真值。對于完成不同設(shè)備間的相對變形測量任務(wù)具有實際意義。

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［4］劉元正，張明輝，張華偉，等.激光陀螺腔長控制鏡改進設(shè)計［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2013，21（2)：235236.

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［8］査月，李德彪，魏學(xué)通，等.基于聯(lián)合基座的天文/慣性組合測量系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)校方法［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2007，15（6)：756759.

［9］中國慣性技術(shù)協(xié)會，中國航天電子技術(shù)研究院.慣性技術(shù)詞典［M］.北京：中國宇航出版社，2009：174175.

［10］蔡迎波，李德彪.基于激光干涉條紋的聯(lián)合基座相對變形測量方法［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2011，19（1)：122126.