（海裝沈陽局駐大連地區(qū)第三代表室 大連 116000）

1 引言

導(dǎo)航系統(tǒng)作為艦船指揮控制系統(tǒng)［1～5］的重要組成部分，既為艦船在海上的航行提供指引，同時(shí)也為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供初始位置導(dǎo)航信息。目前，大型艦船中比較常用的導(dǎo)航系統(tǒng)有衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等。其中衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度高，時(shí)間穩(wěn)定性好，但是其正常工作需要艦船實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，存在一定的安全隱患，而慣性導(dǎo)航設(shè)備因其工作時(shí)的無源性，恰恰可以彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航［6～9］的這一弱點(diǎn)。

慣性導(dǎo)航［10～13］設(shè)備正常工作時(shí)不需要借助于外部輔助信號(hào)，但是它的安裝精度會(huì)直接影響其姿態(tài)精度。大型艦船中，為了更好地測量船體的姿態(tài)和位置信息，通常在船體的不同位置安裝多套慣性測量單元，每套慣性測量單元會(huì)在其安裝部位形成一個(gè)局部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)軸與慣性測量單元的坐標(biāo)軸重合。這種情況下，多個(gè)局部基準(zhǔn)之間的安裝誤差也會(huì)影響導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度。

對局部基準(zhǔn)進(jìn)行坐標(biāo)軸標(biāo)定［14～16］可以減小安裝誤差，同時(shí)可以通過數(shù)據(jù)后期處理補(bǔ)償殘余安裝誤差。靜態(tài)條件下，傳統(tǒng)的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法一般使用電子水平儀和陀螺經(jīng)緯儀等測量儀器直接對其進(jìn)行測量，但是動(dòng)態(tài)條件下，電子水平儀和陀螺經(jīng)緯儀不能工作，而大型艦船的多個(gè)慣性測量單元安裝位置相距較遠(yuǎn)且中間隔有多個(gè)艙室光路無法通行，因此無法直接通過光學(xué)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。針對這一問題本文提出了一種基于過渡點(diǎn)的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法，對距離較遠(yuǎn)的局部基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)結(jié)果證明：過渡點(diǎn)法可以在不破壞船體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有效地標(biāo)定大型艦船中不同位置處局部基準(zhǔn)之間的對準(zhǔn)偏差。

2 常用的標(biāo)定儀器和標(biāo)定方法

2.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。圖1為美國API公司的T3型激光跟蹤儀。

圖1 T3激光跟蹤儀

激光跟蹤儀工作的基本原理是在待測目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。如圖2所示，圖中XYZ為以激光跟蹤儀為圓心的直角坐標(biāo)系，P點(diǎn)為激光跟蹤儀的靶球，L為激光跟蹤儀測得的靶球到跟蹤儀之間的距離，α和β分別為跟蹤儀上編碼器測得的目標(biāo)與Z軸以及X軸的夾角，則目標(biāo)點(diǎn)在三個(gè)軸的分量分別為

其中x，y，z就是目標(biāo)點(diǎn)P在激光跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

為了測量局部基準(zhǔn)的基準(zhǔn)軸方向，在慣性測量單元上加裝垂直于坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)鏡，同時(shí)結(jié)合靶球進(jìn)行直射和反射兩次測量可以測得鏡面的法線方向，如圖3所示。圖中1、2分別為利用激光跟蹤儀對同一個(gè)靶球的直射測量光路和通過鏡面的反射測量光路。由幾何光學(xué)原理可知，2所示的測量方式等效于測量靶球通過鏡面所成像的坐標(biāo)，靶球和靶球像之間的連線就是鏡面的法線。在同一坐標(biāo)系中建立不同基準(zhǔn)鏡面的法線方程可以直接計(jì)算它們之間的夾角。

圖2 激光跟蹤儀工作原理示意圖

圖3 激光跟蹤儀標(biāo)定鏡面示意圖

2.2 電子經(jīng)緯儀

圖4 電子經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀是一種常規(guī)的測量儀器，廣泛應(yīng)用于軍事、建設(shè)等諸多行業(yè)，而電子經(jīng)緯儀是集光、機(jī)、電、計(jì)算為一體的自動(dòng)化、高精度的光學(xué)儀器。其在光學(xué)經(jīng)緯儀的電子化、智能化基礎(chǔ)上，采用了電子細(xì)分、控制處理技術(shù)和濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測量讀數(shù)的智能化。電子經(jīng)緯儀既可單獨(dú)作為測角儀器完成導(dǎo)線測量等測量工作，又可與激光測距儀、電子手簿等組合成全站儀，與陀螺儀、衛(wèi)星定位儀、激光測距機(jī)等組成炮兵測地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊角連測、定位、定向等各種測量。

圖5 電子經(jīng)緯儀工作原理

電子經(jīng)緯儀在局部基準(zhǔn)的標(biāo)校過程中主要起到角度測量的作用。如圖5所示，首先將電子經(jīng)緯儀的瞄準(zhǔn)光軸與參考光軸對齊，并記錄方位和俯仰角度；然后調(diào)整方位俯仰軸，讓光軸與待測的基準(zhǔn)軸系對齊，并讀取方位俯仰的角度；最后兩者的差值便是待測軸和參考軸之間的角度。

3 基于過渡點(diǎn)的標(biāo)定方法

前面分析了目前比較常用的局部基準(zhǔn)標(biāo)定方法。但是在大型艦船中往往存在多個(gè)慣性測量單元，這些測量單元大多距離較遠(yuǎn)且中間間隔多個(gè)艙室，采用逐個(gè)打孔的方法會(huì)破環(huán)船艙的布局，代價(jià)過大不宜使用。因此，上述方法都無法在不破壞艦體結(jié)構(gòu)的前提下，對大型艦船中距離較遠(yuǎn)的局部基準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

圖6 過渡點(diǎn)標(biāo)定原理示意圖

針對這一問題，本文提出了一種基于過渡點(diǎn)的局部基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，如圖6所示。圖中M1為艦船前部的慣性測量單元的基準(zhǔn)鏡，M2為在前基準(zhǔn)鏡之上的甲板上設(shè)立的參考鏡，M3為艦船后部的慣性測量單元的基準(zhǔn)鏡，M4為甲板上設(shè)立的后基準(zhǔn)鏡的參考鏡。

首先利用電子經(jīng)緯儀的測角功能將甲板上方的兩個(gè)參考鏡調(diào)至平行。然后在基準(zhǔn)鏡和參考鏡之間設(shè)立過渡靶球T1和T2，并在甲板上打出通光孔。分別在P1、P2、P3和P4四個(gè)位置利用激光跟蹤儀建立坐標(biāo)系，并分別利用靶球Q1、Q2、Q3、Q4測量M1、M2、M3、M4的法線方向以及T1、T2的坐標(biāo)。然后利用T1、T2以及坐標(biāo)變換方程將基準(zhǔn)鏡面的法線變到與之對應(yīng)的上層坐標(biāo)系中。最后在上層坐標(biāo)系中直接比較基準(zhǔn)鏡面的法線和參考法線之間的夾角，兩個(gè)夾角的差值便是待測的兩個(gè)局部基準(zhǔn)之間的角度值。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第3節(jié)分析的基于過渡點(diǎn)的局部基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，對某大型艦船的前后兩個(gè)局部基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)原理如圖6所示，試驗(yàn)所用的激光跟蹤儀和電子經(jīng)緯儀如圖1和圖4所示。

分別測試兩組基準(zhǔn)鏡法線的原始坐標(biāo)，變換之后的坐標(biāo)以及在變換之后的甲板坐標(biāo)系中參考鏡的法線坐標(biāo)，如表1、表2所示。其中法線采用直射點(diǎn)和反射點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)表示，根據(jù)圖3可知直射點(diǎn)坐標(biāo)減去反射點(diǎn)坐標(biāo)，就是基準(zhǔn)鏡面的法線向量。由法線向量可以直接計(jì)算兩者之間的夾角，最后將兩個(gè)夾角做差便是兩個(gè)局部基準(zhǔn)之間夾角，最終計(jì)算結(jié)果為62.4s。

5 結(jié)語

針對大型艦船的多個(gè)局部基準(zhǔn)難以實(shí)時(shí)標(biāo)校的問題，本文提出了基于過渡點(diǎn)的局部基準(zhǔn)標(biāo)校方法。

表1 前局部基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)

表2 后局部基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)

其可以在不破壞船體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)測量兩處甚至多處局部基準(zhǔn)之間的相對角度。實(shí)際的測試結(jié)果表明，這種方法能夠有效地動(dòng)態(tài)標(biāo)定大型艦船中兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的局部基準(zhǔn)。