靶場船只航向測量設備校準方法的研究*

黃其培

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

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靶場船只航向測量設備校準方法的研究*

黃其培

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

針對我國靶場船載航向測量設備校準需求，提出一種高效、便捷、通用的校準方法，并給出了具體的實現過程，進一步提高了我國試驗靶場的綜合測試水平和能力，為靶場各型水下武器試驗提供技術基礎保障。

靶場船只; 航向測量設備; 通用校準方法

Class Number U666

1 引言

在靶場試驗過程中，為了保證船只船載航向測量設備在長期使用中航向測量功能正常，測量精度滿足試驗要求，需要對船只上航向測量設備進行定期校準。目前，在國外對于航向角測量設備的標校有著相對成熟的技術，而國內靶場對于船只航向測量設備的標校還未形成統一、標準化的校準規范，更沒有通用的校準裝置。對于船只上航向角測量設備的校準有提出的方法各異，主要有全站儀與天文定向法結合，激光測距儀與經緯儀結合，慣導系統與旋轉平臺結合等方法進行航向測量設備的標校[1～3]。這些方法從理論或者仿真實驗都能進行精度較高的航向標校，但存在以下問題：

1) 全站儀與天文定向法結合，該方法在使用的條件上有一定的限制，且實施過程較為復雜[4～6]；

2) 激光測距與經緯儀結合，該方法不能進行高精度標校，且只能做靜態標校，而船只實際使用大多都是在動態的情況，故該方法不具備全面性；

3) 慣導系統與旋轉平臺結合，該方法操作復雜，且耗時。

綜上所述，船載航向測量設備作為引導船只航行、就位的重要測量設備，尤其在我國靶場各型產品的試驗中發揮著重要作用，為此，對船載航向測量設備進行定期準確的校準顯得尤為重要。對于測量設備的定期校準問題上，現有的校準方法存在整體校準方案實施較為復雜，校準過程中所使用的設備搬移、裝卸難度大，建設成本高，效率低，對于大量需要校準的船載測量設備，不具備通用、便捷性。因此，本文提出一種高精度靶場試驗船只航向測量設備誤差校準方法，采用慣性/衛星組合航向測量設備與高性能計算機結合的方式，形成一套便攜式校準設備，使靶場試驗船只航向測量現場校準技術更具通用性、便捷性，同時也進一步提高我國試驗靶場的綜合測試水平和能力。

2 船載航向測量設備現場校準方案研究

考慮到靶場對船只航向的測量均是在動態的情況，同時安裝在船只上的航向測量設備的拆卸、安裝較為復雜，為了更加準確地對靶場試驗船只航向測量設備進行現場校準，設備的現場校準擬采用原位校準方案，即在不改變原設備的位置的情況下對其進行校準，原位校準將建立在實際使用情況下進行。

該現場校準方案主要由校準方法和校準功能實現兩部分組成，校準功能實現由校準裝置、校準軟件及相關設備組成[7]。現場校準方案主要內容如下：

1) 針對靶場試驗船只航向測量設備的原位校準，并考慮到一些新型產品試驗對試驗船只航向精度具有更高要求(航向精度0.1°)，選擇一款對航向測量精度為0.01°高精度專用航向測量設備，設計一種通用、便捷的現場校準方法，實現船載航向測量設備的現場校準。

2) 為了保證校準裝置測量數據的有效性，針對校準裝置的船上安裝，設計一種對校準裝置安裝位置進行簡單快捷的校準方法。

3) 研制專用校準軟件，對現場校準數據進行實時處理，并現場給出校準結果，使校準工作效率提高。

現場校準裝置運用現代測控理論與虛擬儀器技術[8]，參考國家相關檢定標準，實現對船載航向測量設備的現場校準。現場校準裝置組成圖如圖1所示。

圖1 校準裝置組成圖

校準裝置采用便攜式設計，使供電模塊、數據接口模塊、慣性/衛星組合航向測量設備及計算機集成在一個便攜式機箱內，具有攜帶移動方便、使用靈活等特點。進行現場校準時，只需將校準裝置安裝在船只甲板上，使裝置中航向測量設備的天線的中心位置投影在船只結構的中心線上即可，然后分別將天線的饋線和船載式航向測量設備的數據線接入校準設備的機箱便可實現對船載航向測量設備的現場校準。對于船載航向測量設備的校準，采用產品試驗搭載的方式進行，即在船只出航試驗的時候，分別對該設備進行航行和漂泊兩種形式的校準，這樣使校準精度、校準效率得到充分保證。校準裝置現場安裝示意圖如圖2所示。

圖2 校準裝置現場安裝示意圖

3 船載航向測量設備校準裝置的研制

校準裝置的研制主要有校準裝置的安裝位置校準技術研究和專用現場校準軟件的研制兩方面的內容，以下將對這兩方面的內容做詳細的介紹。

3.1 校準裝置的安裝位置定位技術研究

為了實現船載航向測量設備高精度的現場校準，必須要對校準裝置的安裝位置進行精確的校準。由于校準裝置所測量船只航向的測量值的準確度主要受裝置中航向測量設備的天線安裝位置的精度的影響，因此，這里主要對校準設備天線安裝位置進行校準。校準示意圖如圖3所示。對船載航向測量設備進行校準時，需進行校準設備的天線安裝，使天線的中心點(A)投影在船體結構中心線上，以盡可能地避免校準設備測量值因天線安裝帶來的測量誤差。在天線安裝之前，首先，在天線的邊沿找一個點(如B點)，使B點與中心點A連接，并延長BA至天線的圓邊，交于C點，從而確定了中心點A的直線BC。在天線安裝的過程中，采用電子水平儀與垂直儀結合的方法對天線將要進行安裝的位置進行實時的校準，使直線BC與船體中心線保持在一個垂直面上，確保天線中心點A在船體中心線的投影點為A′點，從而使校準設備所測量的船只航向值更為精確。

圖3 校準設備天線安裝校準示意圖

3.2 專用現場校準軟件的研制

研制與現場校準裝置相匹配的專用校準軟件，軟件在Visual C++ 6.0軟件開發環境下，應用OpenGL技術實現[9]，該軟件主要實現整體數據的記錄與對比、現場校準的修正以及校準證書的打印等功能。

通過對船載航向測量設備的校準，校準設備的測量數據和船載航向測量設備的測量數據同時傳送至校準軟件進行處理。數據處理主要是對校準設備與被校準設備測量值進行同一時刻對比，得出船載設備測量誤差。由于船載設備位置安裝的原因會引起船載設備測量值與真值之間有固定的偏差，因此，當初次對船載設備進行校準時，需先計算出船載設備測量值的固定偏差，并把該固定偏差帶入船載設備測量值進行修正后，才能進行船載設備測量誤差的計算。

初始校準固定偏差與測量誤差計算公式如下：

(1)

其中：λ為固定偏差，Ai為校準設備測量值，Bi為被校準設備測量值。

(2)

其中σ為船載設備測量誤差，Ai為校準設備測量值，Bi被校準設備測量值。

經初始校準后，被校準設備測量誤差計算公式如下：

(3)

其中σ為船載設備測量誤差，Ai為校準設備測量值，Bi被校準設備測量值。

4 校準裝置測量誤差分析

由于垂直儀和高精度慣性/衛星組合測量設備測量結果都是通過數值進行顯示,且設備顯示分辨率為0.001mm和0.001°，在讀數過程中認為人為讀數誤差分別為0.001mm和0.001°，故讀數引起不確定度分別為0.0006mm和0.0006°。因此，垂直儀測量結果不確定度Ua為

高精度慣性/衛星組合測量設備測量結果不確定度Ub為

在對船載航向測量設備校準過程中，對于校準裝置安裝位置測量結果的不確定度來源于垂直儀，故校準裝置安裝位置測量結果的不確定為0.00603mm；而對于校準裝置航向測量的不確定度主要來源于垂直儀和高精度慣性/衛星組合測量設備。由于校準裝置天線安裝基線一般為3m，如圖4所示。

由圖4可知，校準裝置安裝位置測量不確定度引起校準裝置航向測量的不確定度為

因此，校準裝置航向測量的不確定度U為

=0.006031°

綜上所述，本文提出的采用高精度慣性/衛星組合測量設備，并結合相關專測設備進行配合的方式，能夠滿足靶場試驗船只船載航向測量設備的現場校準。

圖4 校準裝置位置安裝誤差引起航向測量誤差

5 結語

通過對靶場船只航行測量設備校準方案的研究，并形成一套通用的校準裝置，將提高靶場船載航向測量設備校準的工作效率，保證試驗船只測量的精確有效，將滿足較長時間內靶場船載航向測量設備的校準需要，為靶場產品試驗提供可靠保障。根據實際需要，該校準裝置不僅僅用于靶場試驗船只，經適應性改造后，還可推廣應用于內河運輸業及海上艦船等。

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Calibration Method of Heading Measurement Equipment of Range Vessel

HUANG Qipei

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In consideration of the needs of heading measurement equipment calibration of range, an efficient, convenient and universal calibration method is put forward, and the specific implementation process is given, the comprehensive testing capability of range is improved further, technology basis for protection is provided for various types of water weapons tests.

range vessel, heading measurement equipment, universal calibration method

2016年5月11日,

2016年6月27日

黃其培，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水下航行體軌跡跟蹤技術。

U666

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.032