艦載多陣面機械零位動態對準方法研究

朱學凱，田 野，李 龍，顧林衛，徐 鐸

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225101;2.北京七維航測科技股份有限公司南京分公司，南京210000)

0 引 言

陣面對準是陣面研制、試驗、使用中的一項重要的工作，目的是檢查、調整陣面的機械、電器零位是否滿足設計指標的使用要求[1-2]。艦艇作戰系統對準一般分為船塢對準階段和系泊對準階段[3]。通常陣面的機械零位對準是在船塢內靜態下完成的。

研制中的設備在進行海上航行試驗時需要對艦船的動態姿態信息進行修正，以實現對目標的穩定搜索與跟蹤。魏學通[4]提出了一種基于光電測量的陀螺經緯儀標校方法，可以在光路不通視的情況下完成方位標定，從而解決不同甲板層的方位標定問題。但是，該光學方法僅適合在靜態下的標定。趙馨[5]借助CCD相機、激光經緯儀、全球定位系統等器件實現了對艦載陣面的零位標定。該方法可以克服艦艇擺動帶來的系統誤差，但需要借助岸邊已知坐標值的固定基準點，且方法較為復雜。某陣面設備試驗時由于條件受限無法進入船塢內進行靜態對準，試驗船停靠碼頭時存在明顯的擺動，光學標定方法已無可能，且碼頭周圍無可利用的基準點、標定塔等設施，故需要采用一種不依靠外部資源的標定方法。

本文介紹了一種基于GPS雙天線的組合慣導測量系統，利用GPS固有時戳，實現兩位置姿態信息的實時輸出，最終利用轉換矩陣將艦船的姿態信息傳輸到多個陣面設備上，從而完成多陣面相對姿態的標定。

1 標校工裝的設計

為保證慣導系統的測量精度，需要實現以下3軸的平行：

① 慣導主機中心軸Y軸；

② 兩GPS天線中心的連接軸；

③ 陣面本身的機械軸。

設計一種用來安裝慣導和GPS天線的標校桿，并對標校桿加工時的形位公差提出要求。標校桿的設計如圖1所示。陣面設備具有反映自身機械軸基準的標校平面，將標校桿安裝在設備預留的標校平面上，依靠設計、加工和裝配精度保證了3軸指向的一致性，慣導安裝至陣面設備，如圖2所示。

2 慣導系統的快速收斂

為實現慣導測量系統的快速收斂和達到較高的收斂精度，主運載體需要通過做S形機動來實現速度、加角速度的匹配傳遞對準。通過持續供電的UPS滿足了跑車試驗的供電需求。跑車試驗如圖3所示。

3 數據錄取、處理及誤差分析

跑車試驗結束后，將慣導在不斷電情況下安裝至標校桿的相應位置上，為主慣導和子慣導同時加電，保證了GPS固有時戳的一致性，并以20 Hz的數據率開始錄取數據。錄取時長為20 min。錄取后數據如圖4所示。

將圖4中所示的姿態角信息提取出來，為更好地對比，繪制出兩者坐標轉換后的相對姿態信息對比圖如圖5所示。

因主慣導與子慣導屬于兩個不同的載體坐標系，需要借助旋轉矩陣求解出兩者的矢量變換。設ψ為載體航向角，θ為俯仰角，γ為橫滾角，地理坐標系繞負Z軸轉ψ角，繞X軸轉θ角，再繞Y軸轉γ角，則得載體坐標系，它們之間的轉換矩陣為[6]

C=CγCθCψ

設主慣導的轉換矩陣為C1，設備子慣導處的轉換矩陣為C2，則主慣導到設備子慣導處的轉換矩陣為C=C2C1-1，然后求解出矩陣C中的相對姿態角。選擇錄取數據中相對穩定的一段，計算出設備子慣導相對于甲板主慣導的相對姿態角。繪制曲線如圖5所示。

將圖5中的相應兩數據求差值。繪制差值數據如圖6所示。對圖6中數據求平均值，得到兩位置的相對姿態信息如下：相對俯仰角為19.82°，相對航向角為87.85°，相對橫滾角為0.117°。

將圖6中的數據與求解出的設備測算值做差值，可以得到設備測算值與實際測量值之間的誤差波動曲線，并以該值作為本次測量的測量精度，如圖7所示。

由圖7可知，本次姿態角測量的俯仰精度和橫滾精度在0.02°以內，航向精度在0.1°以內。

4 標定結果

利用上述方法對3個不同陣面設備進行位置解算后形成的最后結果如表1所示。

表1 設備子慣導相對于主慣導矢量差值