光學平行裝置精度測量及數據處理*

楊益興

(武漢市64291信箱 武漢 430064)

1 引言[1]

慣性導航設備或其它方位測量設備在裝船時,須進行標校校準試驗,使具有方位基準的被試設備與測量設備間的方位零位一致,并與載體的方位零位相匹配。方位標校校準往往會遇到一些困難,如果被試慣性導航設備與測量設備安裝在不同的艙室而不通視,再加上距離遠,必須通過多臺經緯儀接力的方式才能完成方位標校工作,會帶來中間誤差。設備安裝于不同高度的艙室,依靠經緯儀進行光路傳遞時,上、下經緯儀的俯仰角就會很大,有時超過了40°。根據光學測距原理,簡化的方位測角誤差公式為:Δ F=Δ H ×sin(A)×tan(h)(其中 Δ F為方位測角誤差,ΔH為載體不水平度,A水平傾角與測量方向的夾角,h為經緯儀的俯仰角)。

如上所述,比較好的解決辦法是采用光學傳遞裝置,用來完成不同艙室之間的方位傳遞。光學平行裝置是一種高精度的動態標校光學傳遞裝置,用于船舶方位的測量、船舶慣性導航設備方位信息校準等用途,可以用來解決被測慣性導航設備與測量設備安裝在不同的艙室所帶來的不能夠通視、距離遠、中間環節引起的過程誤差比較大等問題,可以完成上、下艙室之間的方位直接傳遞。如圖1所示。

圖1 光學平行裝置示意圖

光學平行裝置屬于精密光學測量裝置,但由于幾何尺寸比較大以及裝置的應力變形等原因,還會存在誤差,為此就需要對該裝置進行精度測量,本文依據國家軍用標準GJB3756-99《測量不確定度的表示及評定》和國家計量技術規范JJF1059-1999《測量不確定度的評定與表示》中的要求,對光學平行裝置的精度測量以及測量不確定度進行了較為詳細的分析,給出了該方法的擴展不確定度。

2 試驗所需儀器及附件

光學平行裝置精度試驗測量系統的主要儀器及附件包括:經緯儀、水銀盤、自制儀器架、細琴弦、阻尼油桶等。

?經緯儀,完成精度測量的主要測試儀器。

?水銀盤,光學平行裝置水平放置時,提供一種絕對的水平基準。

?自制儀器架,用來支撐經緯儀、水銀盤等的支架。

?細琴弦,用來構建方位基準。

?阻尼油桶,細琴弦的鉛垂吊放在阻尼油桶內的油中,保證兩根細琴弦建立的方位基準的穩定性。

3 試驗方法

3.1 標定光學平行裝置上、下反射鏡

首先組裝光學平行裝置的上、下接桿以及上、下反射鏡,用經緯儀將光學平行裝置軸體調水平,然后用2臺經緯儀、水銀盤把上下反射鏡鏡面調平行對準,最后復測,上反射鏡相對下反射鏡方位偏差。方位偏差的大小可以用來驗證反射鏡本身結構的穩定性。

圖2 使用經緯儀以及水銀盤標定反射鏡示意圖

3.2 建立測量基準方位

圖3 建立方位基準示意圖

用細琴弦線吊鉛垂的懸線建立測量基準方位(見圖3)。兩鉛垂懸線下面分別吊一個鉛垂,鉛垂放在阻尼油桶中,兩鉛垂懸線相距足夠遠的距離,兩者確定了一個精確的鉛垂面,在試驗現場兩個不同的水平面內分別按上、下反射鏡的高度設兩臺經緯儀,望遠鏡觀測面被調定在該鉛垂面內,建立起基準方位。

3.3 豎起光學平行裝置檢測上、下反射鏡

在光學平行裝置進行精度檢測試驗過程中,光學平行裝置裝在可轉動的光學平行裝置支架內,并隨支架一起吊起、固定等操作。

精確調整兩經緯儀按兩個鉛垂懸線建起一致的基準方位,再將光學平行裝置豎立在建立方位基準的兩個鉛垂線之間位置(如圖 4所示)。轉動光學平行裝置軸體,使最下面水平面內的經緯儀2對下反射鏡自準直,測量下反射鏡法線相對基準方位的偏差角。同時,上水平面內的經緯儀1對上反射鏡自準直,測量上反射鏡相對基準方位的偏差角。然后用將光學平行裝置再重新平行放回原來位置重復進行下一次測量。共重復測量n次。

圖4 豎立測量時的光學平行裝置示意圖

4 數據處理及精度評定[2～3]

光學平行裝置的精度測量對測量的精度和準確性要求很高,需要對測量結果的不確定度進行計算。

4.1 測量數據預處理

計算兩經緯儀測上、下反射鏡相對基準方位的偏差角

式中,δ下為下水平面的經緯儀2測得下反射鏡相對基準方位的偏差角(″);δ上為上水平面的經緯儀1測得上反射鏡相對基準方位的偏差角(″);θi為下水平面的經緯儀2測得基準方位讀數(″);θ′i為下水平面的經緯儀2測得下反射鏡方位讀數(″);φi為上水平面的經緯儀 1測得基準方位讀數(″)′為上水平面的經緯儀1測得上反射鏡方位讀數(″);xi為兩經緯儀測得上反射鏡相對下反射鏡的方位偏差(″)。

根據前面所述,重復測量n次,就可得出n組xi數據(x1、x2、…、xn-1、xn)。如果 xi為負值 ,說明上反射鏡相對于下反射鏡方位偏小;反之如果xi為正值,說明上反射鏡相對于下反射鏡方位偏大。

4.2 異常值檢驗[4]

測量數據中出現異常值時,應仔細查其原因,如果是粗大誤差或變值系統誤差所致,則應在測量中找出根源,設法消除或剔除該數據后再計算。若無充分理由肯定其是壞值時,則不得剔除,可以在維持等精度測量條件的前提下,增加測量次數。我們采用格拉布斯(Grubbs)異常值檢驗法,為此將樣本按方位自小到大排序為:

根據上述樣本有

根據格拉布斯檢驗規則,采用雙側情形檢驗法,按下式計算統計量Gn和:

取檢出水平α=0.5,n=n,根據格拉布斯檢驗法的臨界表對應n,α/2的臨界值得G1-α/2(n)=2.355。查格拉布斯檢驗法規定:

否則,判定“沒有異常值”。

x(n)、x(1)分別是樣本排序的第n個值和第一個值。根據上述規定判定將異常值剔出,剩余的樣本(x1、x2、…、xu)即為有效數據。

4.3 測量不確定度分析

測量不確定度是表示測量結果不能肯定的程度,或者說它是表征測量結果分散性的一個參數,是用于說明測量準確度高低的一個可量化的表示值。有了這個就可以評價測量結果的可信程度或進行比較。GJB3756-99《測量不確定度的表示及評定》中規定:不確定度用來表征合理賦予被測量值的分散性,是測量結果含有的一個參數,與測量結果相關聯。

1)測量結果

光學平行裝置上反射鏡對下反射鏡方位偏差量用測得u個有效偏差值的平均值來表示:

2)測量儀器不確定度[5]

經緯儀標準偏差0.5″,考慮瞄準誤差在內設定一次測角誤差1″。一次測量一臺經緯儀兩次測角不確定度為 2″,一次測量兩臺經緯儀引起的測量不確定度u1為:

3)多次測量重復性引入的不確定度[6]

把光學平行裝置檢測看成每次測量都是獨立的直接測量,服從正態分布。按標準不確定度的A類評定,用貝塞爾法計算每次測量標準偏差:

u2是n次重復測量結果的標準不確定度,等于平均值ˉx的標準偏差。

4)計算合成不確定度

合成不確定度uc為

5)計算擴展不確定度[7]

計算測量結果的擴展不確定度U,取置信概率P=95%,包含因子k=2有

5 試驗情況

該試驗在試驗室中進行,共進行了11次重復測量,為了保證試驗數據的可靠性以及試驗結果的穩定性,選擇在晚上零點以后進行,盡量地減少外界環境的影響,同時嚴格細致的制定試驗實施細則,保證試驗數據的有效性。

光學平行裝置上反射鏡相對下反射鏡的方位偏差檢測結果表示為:

試驗結果表明:光學平行裝置按規定程序、狀態在碼頭標校中使用,擴展不確定度95%情況下在5″之內,機構比較穩定。

圖5 方位偏差檢測結果

6 結語

本文首先介紹了一種光學轉換裝置(光學平行裝置)精度測量的試驗方法,介紹了和不確定度相關的信息,如異常值的處理、評定方法、測量儀器不確定度等,并根據該方法對光學平行裝置精度試驗采集到的數據進行了分析處理。結果表明該光學平行裝置結構穩定可靠,精度測量和不確定度評定可以作為動態標校試驗的依據。本試驗方法和評定方法可以用在其它同類光學轉換裝置的精度測量和評定中。

[1]鄭梓禎,劉德耀.船用慣性導航系統海上試驗[M].北京:國防工業出版社,2006,1

[2]GJB3756-1999測量不確定度的表示與評定[S].中國人民解放軍總裝備部批準發布,FL-0151,1999,3

[3]JJF1059-1999測量不確定度的評定與表示[S].國家質量技術監督局發布,1999,1

[4]宋明順.測量不確定度的評定與數據處理[M].北京:中國計量出版社,2000,1

[5]JJF1094-2002測量儀器特性評定[M].北京:中國計量出版社,2002,11

[6]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.靶場大地測量[M].北京:國防工業出版社,2004,1

[7]劉延軍.發射場計量測試技術[M].北京:國防工業出版社,2006,12