基于光學基準法提高傾斜船臺上慣性平臺水平測量精度

徐 凱，賈立民，張 群，張 波，李 莉，楊盛林，張世先

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 丹青科技公司，北京 100028）

基于光學基準法提高傾斜船臺上慣性平臺水平測量精度

徐 凱1，賈立民1，張 群1，張 波1，李 莉2，楊盛林1，張世先1

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 丹青科技公司，北京 100028）

慣性平臺安裝在艦船的過程中需要將慣性平臺坐標系與艦船坐標系進行對準，也就是對慣性平臺進行標校。當艦船在傾斜船臺上進行建造時，由船臺的傾斜角度造成水平測量儀器的測量誤差對標校的結果有很大影響，尤其是在測量艦船橫搖角時，會由于測量儀器的擺放帶來誤差。為了提高傾斜船臺上慣性平臺的水平測量精度，在電子水平儀上設置光學基準，并通過高精度自準直經緯儀（TM5100A）對放置在基準平板及慣性平臺上的電子水平儀進行方位對齊，保證其測量方位的一致性。實測結果表明：電子水平儀方位的對齊誤差為 2″，電子水平儀測量誤差小于 0.1″（計算值），從而提高了慣性平臺水平測量精度。

傾斜船臺；水平測量誤差；方位對齊；慣性平臺

本刊于2013年第6期曾發表《傾斜船臺對慣性平臺水平測量的影響》，文中對由于測量儀器的擺放帶來的誤差進行了分析歸納。本文將對此種誤差提出對應的解決方法，從而提高慣性平臺水平測量精度。

1 傾斜船臺對慣性平臺水平測量的影響

1.1 傾斜船臺及其引起水平測量誤差的原因

傾斜船臺也稱縱向傾斜船臺，是目前廣泛采取的船臺型式。船臺的表面與水平成一傾角，成為船臺坡度，這個坡度常用傾角的正切值即tanα表示，一般在1/18（約3.2°）～1/25（約2.29°）之間。船廠最多采用的坡度是1/20（約2.86°），這個坡度方便于船臺定位中的測量和計算。船舶建成后，在滑道上依靠自身的質量即可滑行下水。適合于重力下水是縱向傾斜船臺的最大優點。

在傾斜船臺上，慣性平臺的水平測量會由于傾斜船臺的傾斜角度產生測量誤差。測量誤差主要是由于水平測試儀器在測量載體水平基準與設備水平基準面時，測試儀器在擺放方位上的偏差引起的，即兩次測量不能嚴格的保證平行。

圖1 傾斜船臺Fig.1 Inclined ship-building berth

1.2 對慣性平臺水平測量的影響

1.2.1 同一測量面的重復放置測量誤差

對同一測量面進行水平測量時，重復測量會出現的誤差如圖2，如邊長100 mm的水平儀產生0.1°的測量方位誤差角，一端產生0.17 mm位移。在沒有精確定位基準的情況下，采取靠目視瞄準基準平臺的刻線或與設備水平基準面的邊緣對齊進行放置水平儀時將很容易產生這樣的誤差。當在船臺縱搖角為3°，艦船橫搖角為5′的狀態下，產生0.1°的測量方位誤差角時，測量橫搖角將引起18.8″的測量誤差，這對于高精度的水平測量將無法允許。

圖2 測量誤差Fig.2 Measurement errors

1.2.2 不同測量面的放置測量誤差

對不同測量面（如慣性平臺和水平基準之間）進行水平測量時，基本是靠目視瞄準基準平臺刻線或與零件的邊緣對齊來放置水平儀。但是，當測量基準平臺與測量設備無法在方位上保持一致時，在 3°的傾斜船臺上測量艦船橫搖角時，將產生很大的測量誤差。如果邊長100 mm的水平儀在不同測量面時產生的0.87 mm放置誤差，即產生0.5°的測量方位誤差角，在測量橫搖角時就會產生 94.2″的測量誤差。所以，在 3°的傾斜船臺上，同一設備的基準面測量時，由于重復放置的位置誤差將引起較大的測量誤差；另外，在慣性平臺水平基準與載體主基準之間進行測量時，由于測量方位角無法保持一致將產生無法估算的測量誤差。

表1給出了各種水平姿態下水平測量誤差。

表1 水平測量誤差對比Tab.1 Contrast on level measurement errors

2 提高傾斜船臺上水平測量精度的方法

2.1 機械方法

機械方法就是在各個測量基準上設置機械定位基準(定位銷或定位面)，且各定位基準之間要先調整至平行。但是，此種方法會改變現有基準的結構形式，且在水平調整的時候，要時刻監測各基準之間的平行，操作復雜。因此，采用這種方法需在總體設計階段提出設置機械定位基準的要求，不建議在定型設備上使用。

2.2 光學方法

光學方法就是在電子水平儀上設置光學基準，使其光學基準與電子水平儀的水平測量軸線平行，并保持固定。通過架設多臺自準直經緯儀可以實現電子水平儀在不同水平基準上水平測量軸線的平行。

2.2.1 帶光學基準的電子水平儀

帶光學基準的電子水平儀如圖3所示。

光學六面體與支架的基準邊1靠緊，并通過膠粘的方式固定在支架上，支架放置在電子水平儀上，通過緊頂螺釘使支架的基準邊2與電子水平儀基座靠緊。

由于支架上的基準邊1與基準邊2通過加工保證其平行，且電子水平儀的傳感器固定于基座上并平行。因此，光學六面體上用于觀測的四個反射面與電子水平儀的傳感器的測量方位平行或垂直。

圖3 帶光學基準的電子水平儀Fig.3 Electronic level with optical benchmark

由于不同水平基準之間的水平測量是相對測量，即調整慣性平臺的水平基準與載體水平基準對齊，因此，只要光學六面體的方位法線與電子水平儀的傳感器的測量方位固定并保持平行或垂直即可。

2.2.2 實施過程

實施過程如圖4所示。

圖4 實施過程Fig.4 Measurement process

實施過程如下：

a） 將帶光學基準的電子水平儀放置在基準平板上與基準平板的艏艉經緯線對齊（以便再次放置時經緯儀進行對準），記下基準平板的縱傾角讀數；

b） 架設經緯儀1并照準光學六面體，并記下初始方位讀數；

c） 在慣性平臺附近架設經緯儀 2，使兩臺經緯儀互瞄，并將經緯儀2的光軸旋轉至與經緯儀1的初始方位平行；

d） 在慣性平臺水平基準上放置帶光學基準的電子水平儀，調整電子水平儀方位，被經緯儀2照準；

e） 調整慣性平臺水平姿態使其與基準平板對齊；

f） 橫傾角的調整同縱傾角；

g） 復測縱傾角，直至縱傾角與橫傾角均滿足要求。

2.2.3 誤差分析

水平測量誤差的主要原因是電子水平儀測量方位角無法保持一致。本方法通過高精度自準直經緯儀（TM5100A）進行電子水平儀測量方位的對齊，從而保證了水平測量精度。

電子水平儀測量方位的對齊誤差由以下幾方面組成：

u1：經緯儀1照準放置在基準平板的電子水平儀上的光學基準的照準誤差，為1″；

u2：經緯儀1與經緯儀2互瞄的照準誤差，為1″；

u3：經緯儀2與經緯儀1互瞄的照準誤差，為1″；

u4：經緯儀2照準放置在慣性平臺水平基準的電子水平儀上的光學基準的照準誤差，為1″。

電子水平儀測量方位的對齊誤差U為

根據式(1)，可得U=2″。

當電子水平儀測量方位的對齊誤差為2″時，根據文獻[1]中的公式(5)(6)計算得，電子水平儀產生測量誤差小于0.1″。

3 結 論

此方法的使用解決了慣性平臺無法再在傾斜船臺進行高精度水平調整的難題，應用光學的方法提高了水平測量精度。但是，由于操作過程較繁瑣，使用儀器較多，不建議作為常規標校方法使用。

（References）：

[1] 徐凱, 李琳, 孫洋. 傾斜船臺對慣性平臺水平測量的影響[J]. 中國慣性技術學報, 2013, 21(6): 845-848. Xu Kai, Li Lin, Sun Yang. Influence of inclined shipbuilding berth on horizontal measurement of inertial platform[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(6): 845-848.

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Improving level measurement precision of inertial platform on inclined ship-berth based on optical benchmark

XU Kai1, JIA Li-min1, ZHANG Qun1, ZHANG Bo1, LI Li2, YANG Sheng-lin1, ZHANG Shi-xian1
(1. Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China; 2. Dantsin Technology Limited Company, Beijing 100028, China)

Inertial platform coordinate system needs to be aligned with ship coordinate system during installing an inertial platform into a ship, and this can be realized by calibrating the inertial platform. When a ship is built on an inclined berth, the measurement error of leveling instrument due to the tilt angle of ship-building berth has great influence on the calibration results. In particular, the improper placement of the leveling instrument would become an error source in the measurement of ship’s roll. To solve this problem, an optical benchmark is set on the electronic level gauges, then a high-precision auto-collimation theodolite, i.e. TM5100A, is used to implement azimuth alignments for these gauges on benchmark platform and inertial platform to ensure the consistency of the azimuth measurements. Experimental results indicate that the azimuth alignment error is 2″, and the measurement error of level measurement is less than 0.1″, showing that the level measurement precision of inertial platform is improved.

inclined ship-building berth; level measurement error; azimuth alignment; inertial platform; optical benchmark

U666.1

：A

2015-09-08；

：2015-11-28

國防科技預研重點項目（51309010101）

徐凱（1973—），男，高級工程師，主要研究方向慣性平臺結構設計。E-mail: xk_707@sina.com

1005-6734(2015)06-0837-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.06.024