系泊狀態下船舶基座水平度測量系統設計

葛亞明，于 鑫，呂淑平

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶上有各種高精度的導航設備、電子設備以及武器設備等，這些設備的正常運行需要高精度的安裝平臺，這些安裝平臺就是基座。為了保證設備的測量精度，必須使基座的水平度在允許的范圍之內，甚至要求與基準平臺相平行。水平度被定義為被測平臺和基準平臺之間的夾角。國內外船舶水平度測量方法主要有水平儀和象限儀，這兩種測量方法大多還是人工操作，會因為人、時間、地點等的不同具有很大的誤差[1]。

本文針對系泊狀態下傳統基座水平度測量方法的缺點，結合大型船舶自身特性，提出一種新的檢測方法，并設計相應的數據傳輸通信系統。

1 水平度測量數學模型

假設被測平臺(基座)和基準平臺的中心重合。將被測平臺平移到基準平臺處，如圖1所示，在基準平臺上建立坐標系，原點放在基準平臺正中心處，基準平臺上船舶右舷正橫方向定位x軸，y軸在基準平臺上指向船艦首尾方向，z軸為垂直基準平臺。在任意舷角qw方向上分別用傾角傳感器測量被測平臺和基準平臺相對水平面的傾角θC和θJ，那么被測平臺相對于基準平臺的傾角θ=θC-θJ。

圖1 被測平臺與基準平臺

設基準平臺平面方程為

z=0

(1)

被測平臺的平面方程為

x+ay+bz=0

(2)

測量時通常測量正交舷角方向的2個角度值，所以在本系統測量時，我們選取在qw1=0和qw2=90°方向測量，通過求取被測平臺上距離所建立坐標系原點為R的A、B兩點的坐標，可以獲得平面方程中的各參數值如下：

(3)

式中φ為基準平臺與被測平臺之間的夾角。因此只要用傳感器分別測量出基準平臺和被測平臺兩個不同舷角方向上的傾角(θ1和θ2)[2-3]，就可以利用此模型求出基座和基準平臺之間的夾角φ，即基座水平度。

2 水平度測量系統硬件設計

系統由數字式傾角傳感器、通信模塊和顯示模塊組成，系統原理框圖見圖2。由于基準平臺安裝精度在20′以內，為了使測量更加精確，傳感器的精度必須在6′以內[4]。由于船在系統狀態下的擺動周期大約是10～15 s，因此傳感器的響應速度應在1 s以下，故選擇了一種基于RS232接口的數字式傾角傳感器，即CXTILT系列雙軸數字式傾角傳感器。

圖2 水平度測量系統原理框圖

系統數據采集的硬件設計結構如圖3所示。采集過程如下：

(1) 被測平臺和基準平臺上的4個傾角傳感器對傾角數據進行采集[5-6]，把測量得到的數據通過RS232有線通信傳輸到計算機。

(2) 傳感器軟件把采集到的傾角數據通過建立的虛擬RS232串口即COM3和COM4傳送到數據處理軟件中進行數據處理[7]。

(3) 經過程序處理后的數據經過RS232和數傳電臺進行連接，通過數傳電臺進行船艙之間的傳輸[8]。數傳電臺首先要選擇合適的傳輸頻率，減少傳輸過程中的失真。

(4) 當船舶層數過高時會存在無線傳播大幅度衰減，為了保證各個測量點能夠正確地連接，增強無線通道的可靠性，需要架設無線電臺中繼[9]。

3 無線數據通信頻率的選擇

數據通信系統主要用于傳輸傾角的測量值，由于被測平臺和基準平臺大多不在同一個船艙內，為了保證船艙之間的封閉性，考慮用無線傳輸進行船艙之間傾角數據的傳輸[10-11]。

船艙通道空間比較窄，通道有拐彎，拐彎使電磁波損耗增加。通過對矩形通道和彎曲通道電磁波傳播特性的分析[12]，得到矩形通道和彎曲通道總的衰減系數L為

L=LEh+LEv+Lq

(4)

式中,LEv為垂直極化波衰減系數，LEh水平極化波衰減系數，Lq為彎曲通道的衰減系數。

對船艙通道空間內電磁波的傳播總的衰減系數進行仿真，結果如圖4示。表1給出了不同傳輸頻率下總的衰減系數測量數據(彎道半徑為50 m)。

圖3 數據采集硬件結構

圖4 總衰減系數與頻率關系

表1 不同頻率總衰減系數

從圖4和表1可以看出:在頻率1 000 MHz附近的衰減率最小，但綜合考慮傳輸衰減、多徑效應、元器件的來源和器件的價格等多種因素，我們選用了910 MHz的數傳電臺。為了減少傳輸的數據量，降低信號的傳輸頻率，提高數據傳輸的可靠性，降低誤碼率，數據流碼率應該小于等于128 Kbit/s。

4 實驗驗證與分析

在某艦船上測量了橫向和縱向兩個方向的水平度，分別放置4個傳感器，傳感器1和傳感器2在基準平臺上，分別對應基準平臺橫向和縱向；傳感器3和傳感器4在被測平臺上，分別對應被測平臺橫向和縱向。首先分別測得被測平臺和基準平臺相對于水平面的傾角值θ。30 min內測量了4組數據，每組16 456個數據。圖5和圖6分別為傳感器1和傳感器2測得的基準平臺相對水平面的橫向傾角值和縱向傾角值(為節省篇幅，傳感器3和傳感4測得的被測平臺的傾角變化曲線略去)。

所測得的橫向水平度值和縱向水平度值如圖7和8所示。由圖可得到，在這30 min內橫向水平度的平均值為31.953 1″，縱向水平度的平均值為32.134 6″，橫向和縱向水平值都存在大的誤差和周期性系統誤差，但是在30 min之內不存在線性系統誤差，其中周期系統誤差是由于海浪的波動導致船舶搖擺造成的。

圖5 傳感器1測得的橫向傾角值變化曲線

圖6 傳感器2測得的縱向傾角值變化曲線

圖7 橫向水平度值變化曲線

圖8 縱向水平度變化曲線

根據以上各圖形的仿真結果可以得到結論：無論是縱向還是橫向傳感器的差分值都不是一個恒定值；縱向的差分值相對穩定，變化范圍較小；橫向差分值變化很大，說明船體結構的橫向變形對測量有很大的影響。設計的系統具有可行性，能夠實現船舶系統傾角的測量及數據傳輸。

5 結束語

本文設計的船舶基座水平度自動測量系統，為現今船舶系統的測量提供了一種新的方法和途徑。通過在實際艦船系統上進行實驗，結果表明該系統的實施具有一定的可行性，當然，今后還需進行大量的實驗驗證，不斷對系統的設計進行改進和完善。測量數據傳輸選擇了無線通信方式，并對通信頻率的選擇做了詳細的實驗驗證和分析，解決了封閉的船艙內對講機通信噪聲大或收不到信號的問題。

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