魏學(xué)通，郁聰沖，溫朝江

（92941部隊(duì)43分隊(duì)，葫蘆島 125001）

0 引言

位置、航向、水平姿態(tài)和速度精度是水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，為水面艦船的指揮控制、武器系統(tǒng)和艦載機(jī)起降提供必需的信息支撐［1］。對(duì)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)船測(cè)量，在諸多保障條件中，最為突出的是測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要輸出參數(shù)的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，它是測(cè)量信息獲取的核心保證手段。實(shí)時(shí)采集慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備的輸出信息，給出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出參數(shù)的瞬時(shí)誤差，如位置誤差、航向誤差、水平姿態(tài)誤差和其他誤差，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)［2?3］。 目前，測(cè)量手段僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、 速度精度的測(cè)量，而無(wú)法完成對(duì)航向、水平姿態(tài)等其他重要指標(biāo)的測(cè)量［2?5］。 為滿足水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)航向、水平姿態(tài)等重要指標(biāo)的實(shí)船考核需求，本文根據(jù)多型艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)船安裝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種適裝性好的航向和姿態(tài)實(shí)船測(cè)量方案，并對(duì)測(cè)量設(shè)備的構(gòu)建和加裝進(jìn)行了論證設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)量設(shè)備標(biāo)稱的性能指標(biāo)介于被試品1～3倍性能指標(biāo)情況下的航向和水平姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，為水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)的全面實(shí)船測(cè)量提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)量設(shè)備實(shí)船加裝方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)船安裝特點(diǎn)對(duì)測(cè)量設(shè)備加裝的影響分析

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是具有零位對(duì)準(zhǔn)要求的高精度導(dǎo)航設(shè)備，其位置、航向和水平姿態(tài)均具有起始零位。因此設(shè)備裝船時(shí)，具有零位基準(zhǔn)的設(shè)備（如慣性平臺(tái)、監(jiān)控器平臺(tái)）安裝在首尾線上。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要配套設(shè)備（包括慣性平臺(tái)、控制機(jī)柜、電源機(jī)柜、監(jiān)控器）一般就近配置，避免電纜過(guò)長(zhǎng)信號(hào)衰減或受到干擾。測(cè)量載體的首尾線（方位）基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)平臺(tái)在造船時(shí)一并給出。水平基準(zhǔn)平臺(tái)的給出相對(duì)比較容易，在艦船坐墩期間，將在車間加工好的水平基準(zhǔn)平臺(tái)直接在主龍骨上的適當(dāng)部位墊平，用傾斜儀或合像水平儀進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試調(diào)整后用電焊機(jī)焊牢，技術(shù)人員通過(guò)刮、研等方法使其達(dá)到水平精度要求。水平基準(zhǔn)平臺(tái)的首尾線方向必須與載體的首尾線平行，測(cè)試時(shí)以便保證儀器使用精度。為了保證水平基準(zhǔn)平臺(tái)的使用壽命和精度，臺(tái)子底部應(yīng)加固并焊在主龍骨（總的基準(zhǔn)平臺(tái)）或肋骨（其他基準(zhǔn)平臺(tái)）上，且上部加防護(hù)罩避免摩擦和碰擊。水平基準(zhǔn)平臺(tái)的水平精度應(yīng)不低于1′（包括安裝和加工精度）［2?3］，其示意圖如圖 1 所示。

圖1 水平基準(zhǔn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal reference platform

水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)船測(cè)量主要考核定位精度、速度精度、航向精度、水平精度、角速度精度、授時(shí)精度及艦機(jī)對(duì)準(zhǔn)能力等。其中，航向精度、水平精度和角速度精度的考核需通過(guò)加裝測(cè)量設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。實(shí)船上的慣導(dǎo)艙室聯(lián)合基座一般未預(yù)留加裝位置，測(cè)量設(shè)備無(wú)法直接通過(guò)聯(lián)合基座加裝。因此，在設(shè)計(jì)加裝方案時(shí)所選取的加裝位置和采用的固定方式應(yīng)最大限度減少船體變形對(duì)姿態(tài)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，測(cè)量設(shè)備除必須滿足精度指標(biāo)要求外，還應(yīng)具備體積小、質(zhì)量小、便攜式安裝等物理特性。

1.2 測(cè)量設(shè)備加裝設(shè)計(jì)方案

在水面艦船慣導(dǎo)艙室內(nèi)，各慣性設(shè)備之間一般通過(guò)高強(qiáng)度聯(lián)合基座固定安裝，可以有效消除因船體變形造成的測(cè)量誤差［4］。這種高強(qiáng)度聯(lián)合基座具有較好的強(qiáng)度和剛度，可具備外部變形比較大的情況下基座體內(nèi)部不發(fā)生形變或變化量較小的特性?？紤]到多數(shù)情況下，艦船慣導(dǎo)艙室的聯(lián)合基座不允許實(shí)施動(dòng)火、鉆孔及粘膠等安裝措施，需通過(guò)其他手段進(jìn)行測(cè)量設(shè)備的加裝，并保證測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)之間的角變形控制在可接受范圍內(nèi)。本文主要提出以下三種加裝設(shè)計(jì)方案。

方案一：在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)艏線方向的水平基準(zhǔn)平臺(tái)上加裝過(guò)渡基座，用于安裝姿態(tài)測(cè)量設(shè)備。過(guò)渡基座機(jī)械結(jié)構(gòu)采用全鋁制材料（約6.0kg），測(cè)量設(shè)備安裝面研磨精度為Ⅱ級(jí)，平面度為32μm；水平基準(zhǔn)面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級(jí)，平面度為16μm。加裝結(jié)束后對(duì)真值測(cè)量設(shè)備與艙室內(nèi)艏艉線及水平基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校，將安裝精度調(diào)整到規(guī)定范圍內(nèi)。

方案二：基于測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)共基座安裝的要求，依托慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的安裝基座，在其艉線方向加裝過(guò)渡基座用于安裝測(cè)量設(shè)備，過(guò)渡基座通過(guò)夾具夾持慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝基座加強(qiáng)筋，使其與被試慣導(dǎo)實(shí)現(xiàn)共基座剛性固聯(lián)。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用全鋼制材料，測(cè)量設(shè)備安裝面研磨精度為Ⅱ級(jí)，平面度為32μm；水平基準(zhǔn)面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級(jí)，平面度為16μm。加裝結(jié)束后對(duì)真值測(cè)量設(shè)備與艙室內(nèi)艏艉線及水平基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校，將安裝精度調(diào)整到規(guī)定范圍內(nèi)。

方案三：通過(guò)安裝過(guò)渡板來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備的安裝固定，將過(guò)渡板固定在聯(lián)合基座上，測(cè)量設(shè)備通過(guò)緊固件固定在安裝過(guò)渡板上。為最大程度降低聯(lián)合基座和過(guò)渡板表面不平整及漆膜受壓變形等客觀因素對(duì)測(cè)量設(shè)備安裝緊固效果的影響，在測(cè)量設(shè)備初次安裝緊固后進(jìn)行3～7天的應(yīng)力釋放，應(yīng)力釋放期間可視情況再次進(jìn)行緊固件的緊固，以鞏固結(jié)構(gòu)安裝強(qiáng)度，確保安裝效果。過(guò)渡板與聯(lián)合基座的安裝固定可通過(guò)自制夾具鎖緊在聯(lián)合基座的邊角上。過(guò)渡板機(jī)械結(jié)構(gòu)采用全鋁制材料（約6.0kg），測(cè)量設(shè)備安裝面研磨精度為Ⅱ級(jí)，平面度為32μm；水平基準(zhǔn)面尺寸為130mm×60mm，研磨精度為Ⅰ級(jí)，平面度為16μm。加裝結(jié)束后對(duì)真值測(cè)量設(shè)備與艙室內(nèi)艏艉線及水平基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校，將安裝精度調(diào)整到規(guī)定范圍內(nèi)。

在海上實(shí)際使用環(huán)境下，各設(shè)備會(huì)隨著艦船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不規(guī)律的震動(dòng)和搖晃，方案三中 “使用自制夾具和緊固件來(lái)固定過(guò)渡板和測(cè)量設(shè)備”的方式難以保證測(cè)量設(shè)備與過(guò)渡板在使用過(guò)程中不產(chǎn)生位置偏移，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大而影響測(cè)量結(jié)果；方案二能夠滿足測(cè)量設(shè)備與被試設(shè)備共基座的安裝要求，能夠最大限度消除船體變形對(duì)姿態(tài)測(cè)量精度的影響，但過(guò)渡基座需要與被試慣導(dǎo)基座加強(qiáng)筋固聯(lián)，其尺寸規(guī)格應(yīng)嚴(yán)格按照被試慣導(dǎo)基座規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，無(wú)法在其他型號(hào)艦船上通用；方案一中測(cè)量設(shè)備雖然未與被試慣導(dǎo)共基座安裝，但一般情況下慣導(dǎo)艙室內(nèi)的水平基準(zhǔn)安裝基座與慣導(dǎo)設(shè)備距離較近，且均安裝在剛性較好的艦船龍骨結(jié)構(gòu)上，在測(cè)量過(guò)程中因船體變形產(chǎn)生的誤差較?。珊雎圆挥?jì)），過(guò)渡基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通用性較好。因此，在三種加裝方案中，方案一可行性最佳，應(yīng)優(yōu)先選擇。采用方案一將測(cè)量設(shè)備通過(guò)過(guò)渡基座安裝在水平基準(zhǔn)臺(tái)上，測(cè)量設(shè)備應(yīng)具備體積小、質(zhì)量小的特性。因此，選擇光纖陀螺慣導(dǎo)作為測(cè)量設(shè)備更加合理可行。

1.3 測(cè)量設(shè)備構(gòu)建

測(cè)量設(shè)備主要提供航向、橫搖、縱搖等姿態(tài)真值信息，測(cè)量設(shè)備選用質(zhì)量小、啟動(dòng)快、精度高的光纖陀螺慣導(dǎo)，光纖陀螺慣導(dǎo)采用衛(wèi)導(dǎo)組合工作模式。

在艦船慣導(dǎo)艙室內(nèi)，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)艏線方向的水平基準(zhǔn)平臺(tái)上加裝過(guò)渡基座，用于安裝測(cè)量設(shè)備。過(guò)渡基座機(jī)械結(jié)構(gòu)采用全鋁制材料（約6.0kg），測(cè)量設(shè)備安裝面研磨精度為Ⅱ級(jí)，平面度為32μm，水平基準(zhǔn)面研磨精度為Ⅰ級(jí)，平面度為16μm。測(cè)量設(shè)備安裝基座示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量設(shè)備安裝基座示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement equipment installation base

2 實(shí)船測(cè)量中航向和水平姿態(tài)數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計(jì)

測(cè)量設(shè)備用來(lái)精確測(cè)量載艦的位置、航向、搖擺角、速度、角速度等參數(shù)，實(shí)時(shí)錄取慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出參數(shù)和測(cè)量設(shè)備的測(cè)量信息，為評(píng)價(jià)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和作戰(zhàn)使用性能提供依據(jù)。測(cè)量設(shè)備的核心是艦船坐標(biāo)參數(shù)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、同步采集，載艦坐標(biāo)參數(shù)測(cè)量則包括位置測(cè)量、三維姿態(tài)角測(cè)量、角速度測(cè)量以及速度測(cè)量。數(shù)據(jù)錄取設(shè)備用來(lái)進(jìn)行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與真值測(cè)量設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步精度高，通過(guò)實(shí)時(shí)給出的參數(shù)誤差數(shù)據(jù)、誤差曲線，可以表征慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差特性，數(shù)據(jù)的事后處理則是在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，并對(duì)奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除后進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，從而更真實(shí)地反映系統(tǒng)的性能。

本文測(cè)量方案選用質(zhì)量小、啟動(dòng)快、精度高的光纖陀螺慣導(dǎo)（衛(wèi)導(dǎo)組合）作為測(cè)量設(shè)備，測(cè)量設(shè)備的性能指標(biāo)均應(yīng)高于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標(biāo)。對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行考核，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置精度、速度精度、航向精度、水平姿態(tài)精度等測(cè)量方法和測(cè)量項(xiàng)目按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，這里不再贅述。

2.2 航向和水平姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理方法

一般測(cè)量設(shè)備性能指標(biāo)應(yīng)高于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)三倍以上［7?9］。 針對(duì)測(cè)量設(shè)備標(biāo)稱的性能指標(biāo)達(dá)不到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)三倍以上但高于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)情況，本文提出了相應(yīng)的航向誤差數(shù)據(jù)處理方法和水平姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理方法［10］。

（1）航向誤差數(shù)據(jù)處理方法

1）當(dāng)測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向角都比真航向角偏大或都比真航向角偏小時(shí)，數(shù)據(jù)處理方法如下

式（1）～式（5）中，m為有效測(cè)量航次數(shù)，n為每個(gè)航次的測(cè)點(diǎn)數(shù)，為艏向角誤差的均值，ΔHij為第j航次第i測(cè)點(diǎn)的艏向角誤差值，為各航次第i測(cè)點(diǎn)的艏向角誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，為艏向角誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，RMSH為艏向角均方根誤差，ΔHMax為艏向角誤差最大值。

2）當(dāng)測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向角其中一個(gè)比真航向角偏大而另一個(gè)比真航向角偏小時(shí)，數(shù)據(jù)處理方法如下

式（6）～式（10）中，m為有效測(cè)量航次數(shù)，n為每個(gè)航次的測(cè)點(diǎn)數(shù)，Δhij為第j航次第i測(cè)點(diǎn)的艏向角誤差值，為各航次第i測(cè)點(diǎn)的艏向角誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，為艏向誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，RMShc為測(cè)量?jī)x器的艏向角測(cè)量誤差（指測(cè)量?jī)x器精度指標(biāo)），RMSh為艏向角均方根誤差，ΔYhmax為艏向角誤差最大值。

凡慣性導(dǎo)航系統(tǒng)航向誤差統(tǒng)計(jì)值在研制總要求（或合同書）規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)（即小于或等于）的，即認(rèn)為合格。

（2）水平姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理方法

1）當(dāng)測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的橫搖角或縱搖角都比橫搖或縱搖真值偏大或偏小時(shí)，數(shù)據(jù)處理方法如下

式（11）～式（15）中，m為有效測(cè)量航次數(shù)，n為每個(gè)航次的測(cè)點(diǎn)數(shù)，為橫搖或縱搖誤差的均值估計(jì)值，Δθij為第j航次第i測(cè)點(diǎn)的橫搖或縱搖誤差值，為各航次第i測(cè)點(diǎn)的橫搖或縱搖誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，為橫搖或縱搖誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，RMSθ為橫搖或縱搖均方根誤差，ΔθMax為橫搖或縱搖誤差最大值。

2）當(dāng)測(cè)量設(shè)備與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的橫搖角或縱搖角其中一個(gè)比真橫搖角或真縱搖角偏大而另一個(gè)比真橫搖角或真縱搖角偏小時(shí)，數(shù)據(jù)處理方法如下

式（16）～式（20）中，m為有效測(cè)量航次數(shù)，n為每個(gè)航次的測(cè)點(diǎn)數(shù)，為橫搖或縱搖誤差的均值估計(jì)值，為第j航次第i測(cè)點(diǎn)的橫搖或縱搖誤差，為各航次第i測(cè)點(diǎn)的橫搖或縱搖誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，為橫搖或縱搖誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，為測(cè)量?jī)x器的橫搖或縱搖測(cè)量誤差（指測(cè)量?jī)x器精度指標(biāo)），RMSθ′為橫搖或縱搖均方根誤差，為橫搖或縱搖誤差最大值。

凡慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水平姿態(tài)誤差統(tǒng)計(jì)值在研制總要求（或合同書）規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)（即小于或等于）的，即認(rèn)為合格。

2.3 仿真結(jié)果與分析

以航向誤差為例，對(duì)2.2節(jié)中數(shù)據(jù)處理方法的可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)定被試慣導(dǎo)航向精度指標(biāo)為≤a（RMS）、 ≤2a（Max）。 前期，利用性能指標(biāo)高于被試慣導(dǎo)性能指標(biāo)三倍以上的測(cè)試設(shè)備對(duì)被試慣導(dǎo)進(jìn)行測(cè)試，已測(cè)出的4套被試樣機(jī)實(shí)際航向精度為：1號(hào)機(jī)≤0.8a（RMS）、≤1.6a（Max），2號(hào)機(jī)≤0.9a（RMS）、 ≤1.8a（Max），3 號(hào)機(jī)≤1.1a（RMS）、 ≤2.2a（Max），4 號(hào)機(jī)≤1.2a（RMS）、 ≤2.4a（Max）；測(cè)量?jī)x器航向精度為≤0.5a（RMS）、 ≤a（Max）。

各樣機(jī)均進(jìn)行1000次仿真測(cè)試，每次測(cè)試做500個(gè)樣本，各樣本時(shí)長(zhǎng)為30min。按照測(cè)量設(shè)備和各樣機(jī)實(shí)際精度仿真生成測(cè)試數(shù)據(jù)，各樣本中同一序號(hào)測(cè)點(diǎn)的誤差符合正態(tài)分布，根據(jù)實(shí)際精度計(jì)算的各設(shè)備正態(tài)分布參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試和被試設(shè)備的誤差及正態(tài)分布參數(shù)Table 1 Error and normal distribution parameters of test and tested equipments

利用仿真數(shù)據(jù)，按照測(cè)試設(shè)備和被試樣機(jī)的航向值在真航向值同側(cè)和兩側(cè)兩種情況分別進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)，各樣機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 1號(hào)機(jī)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.3 Simulation result statistics of 1sttested equipment

圖4 2號(hào)機(jī)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.4 Simulation result statistics of 2ndtested equipment

圖5 3號(hào)機(jī)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.5 Simulation result statistics of 3rdtested equipment

圖6 4號(hào)機(jī)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.6 Simulation result statistics of 4thtested equipment

由仿真結(jié)果可知，本文數(shù)據(jù)處理方法得到的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前期采用性能指標(biāo)高于被試慣導(dǎo)性能指標(biāo)三倍以上測(cè)試設(shè)備所得到的實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，可以據(jù)此判定被試慣導(dǎo)是否符合指標(biāo)要求，從而證實(shí)了本文中航向和水平姿態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法的合理性和可行性。

3 結(jié)論

本文基于水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量需求，通過(guò)分析慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)船安裝特點(diǎn)，提出了一種適裝性較好的測(cè)量方案。同時(shí)，也對(duì)測(cè)量設(shè)備性能指標(biāo)達(dá)不到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)三倍以上但高于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)情況下的航向誤差數(shù)據(jù)處理方法、水平姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：數(shù)據(jù)方法合理可行，可為水面艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)船測(cè)量提供支撐，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。