黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

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靶場(chǎng)船只航向測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)方法的研究*

黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

針對(duì)我國靶場(chǎng)船載航向測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)需求，提出一種高效、便捷、通用的校準(zhǔn)方法，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)過程，進(jìn)一步提高了我國試驗(yàn)靶場(chǎng)的綜合測(cè)試水平和能力，為靶場(chǎng)各型水下武器試驗(yàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)保障。

靶場(chǎng)船只; 航向測(cè)量設(shè)備; 通用校準(zhǔn)方法

Class Number U666

1 引言

在靶場(chǎng)試驗(yàn)過程中，為了保證船只船載航向測(cè)量設(shè)備在長期使用中航向測(cè)量功能正常，測(cè)量精度滿足試驗(yàn)要求，需要對(duì)船只上航向測(cè)量設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)。目前，在國外對(duì)于航向角測(cè)量設(shè)備的標(biāo)校有著相對(duì)成熟的技術(shù)，而國內(nèi)靶場(chǎng)對(duì)于船只航向測(cè)量設(shè)備的標(biāo)校還未形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)規(guī)范，更沒有通用的校準(zhǔn)裝置。對(duì)于船只上航向角測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)有提出的方法各異，主要有全站儀與天文定向法結(jié)合，激光測(cè)距儀與經(jīng)緯儀結(jié)合，慣導(dǎo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)合等方法進(jìn)行航向測(cè)量設(shè)備的標(biāo)校[1～3]。這些方法從理論或者仿真實(shí)驗(yàn)都能進(jìn)行精度較高的航向標(biāo)校，但存在以下問題：

1) 全站儀與天文定向法結(jié)合，該方法在使用的條件上有一定的限制，且實(shí)施過程較為復(fù)雜[4～6]；

2) 激光測(cè)距與經(jīng)緯儀結(jié)合，該方法不能進(jìn)行高精度標(biāo)校，且只能做靜態(tài)標(biāo)校，而船只實(shí)際使用大多都是在動(dòng)態(tài)的情況，故該方法不具備全面性；

3) 慣導(dǎo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)合，該方法操作復(fù)雜，且耗時(shí)。

綜上所述，船載航向測(cè)量設(shè)備作為引導(dǎo)船只航行、就位的重要測(cè)量設(shè)備，尤其在我國靶場(chǎng)各型產(chǎn)品的試驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用，為此，對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備進(jìn)行定期準(zhǔn)確的校準(zhǔn)顯得尤為重要。對(duì)于測(cè)量設(shè)備的定期校準(zhǔn)問題上，現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法存在整體校準(zhǔn)方案實(shí)施較為復(fù)雜，校準(zhǔn)過程中所使用的設(shè)備搬移、裝卸難度大，建設(shè)成本高，效率低，對(duì)于大量需要校準(zhǔn)的船載測(cè)量設(shè)備，不具備通用、便捷性。因此，本文提出一種高精度靶場(chǎng)試驗(yàn)船只航向測(cè)量設(shè)備誤差校準(zhǔn)方法，采用慣性/衛(wèi)星組合航向測(cè)量設(shè)備與高性能計(jì)算機(jī)結(jié)合的方式，形成一套便攜式校準(zhǔn)設(shè)備，使靶場(chǎng)試驗(yàn)船只航向測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)更具通用性、便捷性，同時(shí)也進(jìn)一步提高我國試驗(yàn)靶場(chǎng)的綜合測(cè)試水平和能力。

2 船載航向測(cè)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案研究

考慮到靶場(chǎng)對(duì)船只航向的測(cè)量均是在動(dòng)態(tài)的情況，同時(shí)安裝在船只上的航向測(cè)量設(shè)備的拆卸、安裝較為復(fù)雜，為了更加準(zhǔn)確地對(duì)靶場(chǎng)試驗(yàn)船只航向測(cè)量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)擬采用原位校準(zhǔn)方案，即在不改變?cè)O(shè)備的位置的情況下對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，原位校準(zhǔn)將建立在實(shí)際使用情況下進(jìn)行。

該現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案主要由校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)兩部分組成，校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)由校準(zhǔn)裝置、校準(zhǔn)軟件及相關(guān)設(shè)備組成[7]?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案主要內(nèi)容如下：

1) 針對(duì)靶場(chǎng)試驗(yàn)船只航向測(cè)量設(shè)備的原位校準(zhǔn)，并考慮到一些新型產(chǎn)品試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)船只航向精度具有更高要求(航向精度0.1°)，選擇一款對(duì)航向測(cè)量精度為0.01°高精度專用航向測(cè)量設(shè)備，設(shè)計(jì)一種通用、便捷的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)船載航向測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

2) 為了保證校準(zhǔn)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，針對(duì)校準(zhǔn)裝置的船上安裝，設(shè)計(jì)一種對(duì)校準(zhǔn)裝置安裝位置進(jìn)行簡單快捷的校準(zhǔn)方法。

3) 研制專用校準(zhǔn)軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并現(xiàn)場(chǎng)給出校準(zhǔn)結(jié)果，使校準(zhǔn)工作效率提高。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)控理論與虛擬儀器技術(shù)[8]，參考國家相關(guān)檢定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置組成圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置組成圖

校準(zhǔn)裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，使供電模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、慣性/衛(wèi)星組合航向測(cè)量設(shè)備及計(jì)算機(jī)集成在一個(gè)便攜式機(jī)箱內(nèi)，具有攜帶移動(dòng)方便、使用靈活等特點(diǎn)。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，只需將校準(zhǔn)裝置安裝在船只甲板上，使裝置中航向測(cè)量設(shè)備的天線的中心位置投影在船只結(jié)構(gòu)的中心線上即可，然后分別將天線的饋線和船載式航向測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)線接入校準(zhǔn)設(shè)備的機(jī)箱便可實(shí)現(xiàn)對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。對(duì)于船載航向測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)，采用產(chǎn)品試驗(yàn)搭載的方式進(jìn)行，即在船只出航試驗(yàn)的時(shí)候，分別對(duì)該設(shè)備進(jìn)行航行和漂泊兩種形式的校準(zhǔn)，這樣使校準(zhǔn)精度、校準(zhǔn)效率得到充分保證。校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

3 船載航向測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)裝置的研制

校準(zhǔn)裝置的研制主要有校準(zhǔn)裝置的安裝位置校準(zhǔn)技術(shù)研究和專用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件的研制兩方面的內(nèi)容，以下將對(duì)這兩方面的內(nèi)容做詳細(xì)的介紹。

3.1 校準(zhǔn)裝置的安裝位置定位技術(shù)研究

為了實(shí)現(xiàn)船載航向測(cè)量設(shè)備高精度的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，必須要對(duì)校準(zhǔn)裝置的安裝位置進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。由于校準(zhǔn)裝置所測(cè)量船只航向的測(cè)量值的準(zhǔn)確度主要受裝置中航向測(cè)量設(shè)備的天線安裝位置的精度的影響，因此，這里主要對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備天線安裝位置進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)示意圖如圖3所示。對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)備的天線安裝，使天線的中心點(diǎn)(A)投影在船體結(jié)構(gòu)中心線上，以盡可能地避免校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值因天線安裝帶來的測(cè)量誤差。在天線安裝之前，首先，在天線的邊沿找一個(gè)點(diǎn)(如B點(diǎn))，使B點(diǎn)與中心點(diǎn)A連接，并延長BA至天線的圓邊，交于C點(diǎn)，從而確定了中心點(diǎn)A的直線BC。在天線安裝的過程中，采用電子水平儀與垂直儀結(jié)合的方法對(duì)天線將要進(jìn)行安裝的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)，使直線BC與船體中心線保持在一個(gè)垂直面上，確保天線中心點(diǎn)A在船體中心線的投影點(diǎn)為A′點(diǎn)，從而使校準(zhǔn)設(shè)備所測(cè)量的船只航向值更為精確。

圖3 校準(zhǔn)設(shè)備天線安裝校準(zhǔn)示意圖

3.2 專用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件的研制

研制與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置相匹配的專用校準(zhǔn)軟件，軟件在Visual C++ 6.0軟件開發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)[9]，該軟件主要實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的記錄與對(duì)比、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的修正以及校準(zhǔn)證書的打印等功能。

通過對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)和船載航向測(cè)量設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)傳送至校準(zhǔn)軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備與被校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值進(jìn)行同一時(shí)刻對(duì)比，得出船載設(shè)備測(cè)量誤差。由于船載設(shè)備位置安裝的原因會(huì)引起船載設(shè)備測(cè)量值與真值之間有固定的偏差，因此，當(dāng)初次對(duì)船載設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需先計(jì)算出船載設(shè)備測(cè)量值的固定偏差，并把該固定偏差帶入船載設(shè)備測(cè)量值進(jìn)行修正后，才能進(jìn)行船載設(shè)備測(cè)量誤差的計(jì)算。

初始校準(zhǔn)固定偏差與測(cè)量誤差計(jì)算公式如下：

(1)

其中：λ為固定偏差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值，Bi為被校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值。

(2)

其中σ為船載設(shè)備測(cè)量誤差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值，Bi被校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值。

經(jīng)初始校準(zhǔn)后，被校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量誤差計(jì)算公式如下：

(3)

其中σ為船載設(shè)備測(cè)量誤差，Ai為校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值，Bi被校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值。

4 校準(zhǔn)裝置測(cè)量誤差分析

由于垂直儀和高精度慣性/衛(wèi)星組合測(cè)量設(shè)備測(cè)量結(jié)果都是通過數(shù)值進(jìn)行顯示,且設(shè)備顯示分辨率為0.001mm和0.001°，在讀數(shù)過程中認(rèn)為人為讀數(shù)誤差分別為0.001mm和0.001°，故讀數(shù)引起不確定度分別為0.0006mm和0.0006°。因此，垂直儀測(cè)量結(jié)果不確定度Ua為

高精度慣性/衛(wèi)星組合測(cè)量設(shè)備測(cè)量結(jié)果不確定度Ub為

在對(duì)船載航向測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)過程中，對(duì)于校準(zhǔn)裝置安裝位置測(cè)量結(jié)果的不確定度來源于垂直儀，故校準(zhǔn)裝置安裝位置測(cè)量結(jié)果的不確定為0.00603mm；而對(duì)于校準(zhǔn)裝置航向測(cè)量的不確定度主要來源于垂直儀和高精度慣性/衛(wèi)星組合測(cè)量設(shè)備。由于校準(zhǔn)裝置天線安裝基線一般為3m，如圖4所示。

由圖4可知，校準(zhǔn)裝置安裝位置測(cè)量不確定度引起校準(zhǔn)裝置航向測(cè)量的不確定度為

因此，校準(zhǔn)裝置航向測(cè)量的不確定度U為

=0.006031°

綜上所述，本文提出的采用高精度慣性/衛(wèi)星組合測(cè)量設(shè)備，并結(jié)合相關(guān)專測(cè)設(shè)備進(jìn)行配合的方式，能夠滿足靶場(chǎng)試驗(yàn)船只船載航向測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

圖4 校準(zhǔn)裝置位置安裝誤差引起航向測(cè)量誤差

5 結(jié)語

通過對(duì)靶場(chǎng)船只航行測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)方案的研究，并形成一套通用的校準(zhǔn)裝置，將提高靶場(chǎng)船載航向測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)的工作效率，保證試驗(yàn)船只測(cè)量的精確有效，將滿足較長時(shí)間內(nèi)靶場(chǎng)船載航向測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)需要，為靶場(chǎng)產(chǎn)品試驗(yàn)提供可靠保障。根據(jù)實(shí)際需要，該校準(zhǔn)裝置不僅僅用于靶場(chǎng)試驗(yàn)船只，經(jīng)適應(yīng)性改造后，還可推廣應(yīng)用于內(nèi)河運(yùn)輸業(yè)及海上艦船等。

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Calibration Method of Heading Measurement Equipment of Range Vessel

HUANG Qipei

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In consideration of the needs of heading measurement equipment calibration of range, an efficient, convenient and universal calibration method is put forward, and the specific implementation process is given, the comprehensive testing capability of range is improved further, technology basis for protection is provided for various types of water weapons tests.

range vessel, heading measurement equipment, universal calibration method

2016年5月11日,

2016年6月27日

黃其培，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水下航行體軌跡跟蹤技術(shù)。

U666

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.032