孫靈遠(yuǎn) 朱志軍 王益民 郭亦平 任元洲

（天津航海儀器研究所九江分部，九江，332007）

在艦船橫向航行補(bǔ)給任務(wù)下，能夠穩(wěn)定、連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)給艦與接收艦之間的距離和相互之間的速率，可以為該任務(wù)下船舶操縱提供依據(jù)，提高船舶航行的安全性和補(bǔ)給效率。目前，國(guó)內(nèi)外在確定補(bǔ)給間距時(shí)，主要依據(jù)海上試驗(yàn)法確定補(bǔ)給間距的范圍。在實(shí)際補(bǔ)給作業(yè)時(shí)，由相關(guān)人員根據(jù)補(bǔ)給經(jīng)驗(yàn)確定當(dāng)前海區(qū)態(tài)勢(shì)下的補(bǔ)給間距。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)關(guān)于艦船橫向補(bǔ)給間距決策方法研究的文獻(xiàn)較少，且以研究橫向補(bǔ)給時(shí)的最大及最小安全間距居多。文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)地研究了補(bǔ)給間距對(duì)于貨物安全的影響，給出確定最大安全間距的方法；文獻(xiàn)[2]給出橫向補(bǔ)給最小安全間距的確定方法，但該方法僅考慮靜水條件下的海上補(bǔ)給，忽略風(fēng)、浪、流的影響，其計(jì)算結(jié)果比實(shí)際可采用間距小。

為了驗(yàn)證橫向補(bǔ)給過(guò)程中新型測(cè)距方法替代距離索的可行性，美國(guó)海軍在十多年前分別在不同的海況、氣候環(huán)境、時(shí)間（晝夜）做了數(shù)次試驗(yàn)。美國(guó)Marine Proximity公司的測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)美國(guó)海軍司令部認(rèn)證并被列入北約ATP-16補(bǔ)給條例[3]。該系統(tǒng)目前在美國(guó)海軍艦船上廣泛用于橫向補(bǔ)給過(guò)程中兩艦距離的測(cè)量，如圖1所示。此外，據(jù)相關(guān)資料，澳大利亞海軍也在十多年前開(kāi)展過(guò)類似的研究工作。

圖1 美國(guó)海軍補(bǔ)給測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用

本文研究的橫向航行補(bǔ)給距離測(cè)量系統(tǒng)利用能夠同時(shí)獲取距離信息和目標(biāo)圖像信息的穩(wěn)定云臺(tái)，通過(guò)測(cè)距傳感器和圖像信息融合技術(shù)，完成艦艦距離的自動(dòng)穩(wěn)定測(cè)量。

1 橫向航行補(bǔ)給測(cè)距分析

在橫向航行補(bǔ)給時(shí)，距離測(cè)量設(shè)備一般安裝在接收艦上。橫向并排航行的艦船在海浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者位置關(guān)系受海浪的影響。補(bǔ)給過(guò)程中，要求補(bǔ)給艦和接收艦以相同的航向以及相同的航速航行，如圖2所示，該工況下僅需要一個(gè)測(cè)量點(diǎn)便可滿足距離測(cè)量要求，兩艦間距為S。

圖2 航行補(bǔ)給理想工況下測(cè)距示意圖

圖2是理想的航行補(bǔ)給工況，在實(shí)際橫向航行補(bǔ)給時(shí)，兩艦會(huì)出現(xiàn)不同程度的縱距和橫距偏差，從而引起航向偏差，如圖3所示。

圖3 航行補(bǔ)給偏航工況下測(cè)距示意圖

該工況下需要兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)才能體現(xiàn)出接收艦與補(bǔ)給艦的距離，并根據(jù)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩艦的航向差ψ：

式中，d1、d2是兩個(gè)傳感器以接收艦為基準(zhǔn)所測(cè)得的垂直距離，L為兩測(cè)量點(diǎn)之間的距離。但由于航行補(bǔ)給過(guò)程中，一般以補(bǔ)給艦作為目標(biāo)艦，因此圖3中垂直于補(bǔ)給艦的S1與S2為兩艦在兩測(cè)量點(diǎn)的間距。式（2）、（3）為兩艦在兩測(cè)量點(diǎn)的間距與航向差ψ的關(guān)系。

2 距離測(cè)量方法選擇

在近距離測(cè)量時(shí)，雷達(dá)、GPS等的測(cè)量精度滿足不了要求，因此需要配置較高精度的近距離測(cè)距傳感器，以滿足航行補(bǔ)給等近距離作業(yè)的要求[4]。測(cè)距傳感器的測(cè)量精度、測(cè)量距離、抗干擾性等直接決定了距離測(cè)量裝置的好壞，因此采用的測(cè)距傳感器必須能夠滿足在航行補(bǔ)給和靠離碼頭的氣候環(huán)境中有可靠的測(cè)定距離。目前常用測(cè)距方法主要有超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距、毫米波雷達(dá)測(cè)距和激光測(cè)距，方法特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 測(cè)距方式的特點(diǎn)比較

通過(guò)表1可知，激光測(cè)距與其它測(cè)距方法相比，具有測(cè)量精度高、測(cè)程遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、大氣傳輸性能好、隱蔽性好、對(duì)雨霧有一定的穿透性等優(yōu)點(diǎn)[5]。激光測(cè)距研究經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)距傳感器在軍民領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。另外激光測(cè)距傳感器的光束強(qiáng)度是滿足用眼安全標(biāo)準(zhǔn)的，而且瞄準(zhǔn)的是船體，不會(huì)對(duì)人員造成傷害。

3 橫向航行補(bǔ)給自動(dòng)測(cè)距研究

橫向航行補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給艦從待機(jī)站位到補(bǔ)給站位過(guò)程時(shí)間相對(duì)都較短，且測(cè)量距離和角度均不斷變化，因此需要人工手動(dòng)操作測(cè)量。兩艦橫向航行補(bǔ)給作業(yè)一般時(shí)間較長(zhǎng)，且兩艦的相對(duì)位置幾乎不變，因此該過(guò)程可實(shí)現(xiàn)持續(xù)、自動(dòng)跟蹤測(cè)距。

3.1 影響測(cè)量效果的因素分析

持續(xù)自動(dòng)測(cè)距過(guò)程中，接收艦及補(bǔ)給艦的橫搖、橫蕩、縱搖、升沉等運(yùn)動(dòng)均可能對(duì)測(cè)距過(guò)程帶來(lái)一定影響[6]。接收艦的升沉和縱搖將造成傳感器絕對(duì)位置的升高或者降低，如圖4所示。補(bǔ)給艦的橫搖、縱搖、升沉運(yùn)動(dòng)將改變激光在被測(cè)船上的反射點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 接收艦升沉運(yùn)動(dòng)工況下測(cè)距示意圖

圖5 補(bǔ)給艦橫搖、縱搖、升沉運(yùn)動(dòng)下測(cè)距示意圖

兩艦橫向航行補(bǔ)給時(shí)，兩艦的距離d一般保持在50 m左右。圖6所示為兩艦相對(duì)最大橫蕩幅值為4 m工況下測(cè)距示意圖，假設(shè)傳感器俯仰角?為3°，則

圖6 艦船相對(duì)橫蕩工況下測(cè)距示意圖

補(bǔ)給過(guò)程中，接收艦和補(bǔ)給艦的縱搖、升沉、橫蕩，以及補(bǔ)給艦的橫搖引起激光束在被測(cè)船舶上的反射點(diǎn)位置幅度變化很小，因此上述情況造成傳感器測(cè)量目標(biāo)丟失的概率極小。為了避免由此造成的目標(biāo)丟失，應(yīng)將激光束在被測(cè)船舶上的反射點(diǎn)定位在被測(cè)船舶的船舷與吃水線的中位線附近，如圖7所示。

圖7 激光束反射區(qū)定位示意圖

接收艦的橫搖是造成測(cè)量目標(biāo)丟失的主要原因。圖8為接收艦在橫搖幅度為5°時(shí)的工況。激光束在艦船橫搖上下最大幅值時(shí)到達(dá)被測(cè)船舶的高度差為

因此，在一個(gè)橫搖周期內(nèi)，測(cè)量目標(biāo)丟失概率較大。

圖8 橫搖運(yùn)動(dòng)工況下測(cè)距示意圖

為避免因接收艦橫搖造成的目標(biāo)丟失，將激光測(cè)距傳感器激光束始終保持與水平面相同的角度而不受艦船橫搖影響，可以達(dá)到持續(xù)自動(dòng)測(cè)距的目的。將激光測(cè)距傳感器安裝于具有艦船橫搖穩(wěn)定功能的云臺(tái)上。該云臺(tái)始終保持人為設(shè)定的水平角度，有效隔離艦船橫搖，確保激光測(cè)距傳感器水平角度保持不變。穩(wěn)定測(cè)距示意圖如圖9所示。此時(shí)，激光束在艦船橫搖最大幅值為 5°能有效降低測(cè)量目標(biāo)丟失概率。

圖9 穩(wěn)定測(cè)距示意圖

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，云臺(tái)的俯仰角?和方位角β影響著艦艦之間距離。補(bǔ)給工況示意圖如圖10所示。

圖10 兩艦補(bǔ)給工況示意圖

兩艦之間的距離為

3.2 海補(bǔ)測(cè)距精度

兩艦間距測(cè)量精度主要影響因素有：傳感器的測(cè)量精度，云臺(tái)方位角、俯仰角精度。根據(jù)式（4）計(jì)算兩艦距離，d為傳感器實(shí)測(cè)距離，假設(shè)d=50 m。計(jì)算測(cè)距誤差：

式中，傳感器測(cè)量精度δd=0.04 m；方位角、俯仰角精度δβ=δ?=±0.1°。則

通過(guò)式（6）計(jì)算得到：當(dāng) 0

3.3 穩(wěn)定云臺(tái)工作原理

穩(wěn)定云臺(tái)有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實(shí)現(xiàn)負(fù)載方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)。在手動(dòng)模式下，可通過(guò)手柄控制方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)。在自動(dòng)模式下，由計(jì)算機(jī)根據(jù)陀螺儀及旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋角度解算出方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)陀螺穩(wěn)定的功能。在跟蹤模式下，云臺(tái)捕捉到目標(biāo)圖像，提取目標(biāo)圖像的特征點(diǎn)。利用圖像處理算法和云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。穩(wěn)定云臺(tái)主要由圖像跟蹤器，伺服系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，傳感器等組成，如圖11所示。

圖11 穩(wěn)定云臺(tái)組成

圖像跟蹤器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤功能。首先，圖像跟蹤器接收可見(jiàn)光視頻。根據(jù)控制命令對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；然后，圖像跟蹤器實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)偏離系統(tǒng)視軸的方位和俯仰誤差信號(hào)到伺服控制系統(tǒng)；最后將視頻圖像輸出給測(cè)控系統(tǒng)和記錄儀等設(shè)備，用于顯示和記錄。

在跟蹤模式下，圖像跟蹤器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征點(diǎn)提取，計(jì)算出當(dāng)前幀中的目標(biāo)在傳感器靶面上的坐標(biāo)值，伺服系統(tǒng)根據(jù)該坐標(biāo)值、當(dāng)前的焦距值與傳感器的像元尺寸，計(jì)算出云臺(tái)應(yīng)到達(dá)的方位角與俯仰角，并驅(qū)動(dòng)光平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到該方位角與俯仰角，使目標(biāo)始終保持在可見(jiàn)光攝像機(jī)的靶面中心，伺服系統(tǒng)與圖像跟蹤器形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確跟蹤。

云臺(tái)陀螺穩(wěn)定原理圖如圖 12所示。微處理器根據(jù)操作人員的設(shè)定角度和陀螺儀角度實(shí)時(shí)解算方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，指令轉(zhuǎn)角通過(guò)比較、放大等環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)控制部分采用位置、速度和電流三閉環(huán)的伺服控制方式。位置和速度控制器采用不完全微分增量式 PID（Proportion-Integration-Differentiation）的控制，有效的提高控制系統(tǒng)的伺服精度[7]。驅(qū)動(dòng)器采用 SPWM（Sinusoidal-Pusle-Width- Modulation）的驅(qū)動(dòng)方法，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流與SPWM驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成電流閉環(huán)，以減小時(shí)間常數(shù)，改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[8]。

圖12 云臺(tái)陀螺穩(wěn)定原理圖

4 激光測(cè)距系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定測(cè)距實(shí)現(xiàn)

激光測(cè)距系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化分布式控制體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)以太網(wǎng)完成內(nèi)部各種信息的交互[9-11]。激光測(cè)距系統(tǒng)主要由穩(wěn)定云臺(tái)、告示器、手柄模塊等相關(guān)設(shè)備組成，如圖 13所示。穩(wěn)定云臺(tái)和控制箱通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)點(diǎn)一定范圍內(nèi)的影像信息和距離信息。穩(wěn)定云臺(tái)具有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實(shí)現(xiàn)負(fù)載方位和俯仰旋轉(zhuǎn)，可以持續(xù)激光測(cè)距，具有手動(dòng)、穩(wěn)定、圖像跟蹤等工作模式。告示器實(shí)時(shí)顯示控制箱發(fā)送過(guò)來(lái)的距離信息，用于目標(biāo)艦實(shí)時(shí)觀察相互之間的距離?？刂葡渲饕糜诒镜胤€(wěn)定云臺(tái)的控制和目標(biāo)影像的顯示。操作人員可以通過(guò)手柄模塊選擇測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)測(cè)量距離。當(dāng)接收艦由待機(jī)站位駛向補(bǔ)給站位時(shí)，采用手動(dòng)測(cè)量方式。通過(guò)手柄模塊搖桿控制穩(wěn)定云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和俯仰，獲取目標(biāo)艦一定范圍內(nèi)的影像信息，操作人員根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)影像信息選擇目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)。在穩(wěn)定工況下，操作人員確定目標(biāo)點(diǎn)后，確定測(cè)量方式，穩(wěn)定云臺(tái)陀螺感知船只的晃動(dòng)方向和角速度，按照一定的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和運(yùn)算后，使云臺(tái)保持對(duì)船角度不變，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)距離的穩(wěn)定測(cè)量。在跟蹤工況下，穩(wěn)定云臺(tái)通過(guò)獲取目標(biāo)影像信息，通過(guò)圖像處理算法和云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)俯仰運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)距離的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。

圖13 激光測(cè)距系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在高海況下的測(cè)量精度，分別進(jìn)行了試驗(yàn)室模擬5級(jí)海況下的試驗(yàn)和3級(jí)海況下的海上實(shí)測(cè)試驗(yàn)。精度的計(jì)算方法為

5.1 地面試驗(yàn)

通過(guò)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬5級(jí)海況，檢驗(yàn)該系統(tǒng)穩(wěn)定工況下的測(cè)量精度。將單軸轉(zhuǎn)臺(tái)角度分別設(shè)置為-15°、-7°、0°、7°、15°（俯為-，仰為+），測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。分析表2可知，在高海況下，50 m測(cè)量范圍，該系統(tǒng)的測(cè)量精度在0.2 m左右。

表2 試驗(yàn)室50 m測(cè)量范圍測(cè)量數(shù)據(jù) m

5.2 海上試驗(yàn)

在3級(jí)海況下，對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量效果進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。表3為實(shí)船測(cè)得數(shù)據(jù)。在穩(wěn)定工況下，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)完成目標(biāo)艦距離的測(cè)量，還可以獲取橫向補(bǔ)給任務(wù)狀態(tài)下兩艦之間的水平速度。

表3 海上實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù) m

分析表3數(shù)據(jù)可知，在3級(jí)海況下，0～300 m范圍內(nèi)，測(cè)量精度為0.2 m；300～1000 m范圍內(nèi)測(cè)量精度為1.2 m。表2和表3數(shù)據(jù)表明，該激光測(cè)距系統(tǒng)滿足船舶橫向航行補(bǔ)給的任務(wù)需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)橫向航行補(bǔ)給過(guò)程中艦船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，提出的基于艦船橫向航行補(bǔ)給的激光測(cè)距技術(shù)可以有效的隔離船舶縱搖和橫搖對(duì)兩船距離測(cè)量的影響，能夠穩(wěn)定、連續(xù)的實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。實(shí)船驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和可靠性?；谂灤瑱M向航行補(bǔ)給的激光測(cè)距技術(shù)可以推廣應(yīng)用到艦船狹水道航行、靠離泊等工程。本文下一步將結(jié)合艦船操縱實(shí)現(xiàn)艦船橫向航行補(bǔ)給任務(wù)下自動(dòng)操控，保證橫向航行補(bǔ)給任務(wù)的可靠性和安全性。