艦載多陣面機(jī)械零位動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)方法研究

朱學(xué)凱，田 野，李 龍，顧林衛(wèi)，徐 鐸

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101;2.北京七維航測(cè)科技股份有限公司南京分公司，南京210000)

0 引 言

陣面對(duì)準(zhǔn)是陣面研制、試驗(yàn)、使用中的一項(xiàng)重要的工作，目的是檢查、調(diào)整陣面的機(jī)械、電器零位是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的使用要求[1-2]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)一般分為船塢對(duì)準(zhǔn)階段和系泊對(duì)準(zhǔn)階段[3]。通常陣面的機(jī)械零位對(duì)準(zhǔn)是在船塢內(nèi)靜態(tài)下完成的。

研制中的設(shè)備在進(jìn)行海上航行試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)艦船的動(dòng)態(tài)姿態(tài)信息進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定搜索與跟蹤。魏學(xué)通[4]提出了一種基于光電測(cè)量的陀螺經(jīng)緯儀標(biāo)校方法，可以在光路不通視的情況下完成方位標(biāo)定，從而解決不同甲板層的方位標(biāo)定問(wèn)題。但是，該光學(xué)方法僅適合在靜態(tài)下的標(biāo)定。趙馨[5]借助CCD相機(jī)、激光經(jīng)緯儀、全球定位系統(tǒng)等器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦載陣面的零位標(biāo)定。該方法可以克服艦艇擺動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，但需要借助岸邊已知坐標(biāo)值的固定基準(zhǔn)點(diǎn)，且方法較為復(fù)雜。某陣面設(shè)備試驗(yàn)時(shí)由于條件受限無(wú)法進(jìn)入船塢內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)，試驗(yàn)船停靠碼頭時(shí)存在明顯的擺動(dòng)，光學(xué)標(biāo)定方法已無(wú)可能，且碼頭周?chē)鸁o(wú)可利用的基準(zhǔn)點(diǎn)、標(biāo)定塔等設(shè)施，故需要采用一種不依靠外部資源的標(biāo)定方法。

本文介紹了一種基于GPS雙天線(xiàn)的組合慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)，利用GPS固有時(shí)戳，實(shí)現(xiàn)兩位置姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)輸出，最終利用轉(zhuǎn)換矩陣將艦船的姿態(tài)信息傳輸?shù)蕉鄠€(gè)陣面設(shè)備上，從而完成多陣面相對(duì)姿態(tài)的標(biāo)定。

1 標(biāo)校工裝的設(shè)計(jì)

為保證慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量精度，需要實(shí)現(xiàn)以下3軸的平行：

① 慣導(dǎo)主機(jī)中心軸Y軸；

② 兩GPS天線(xiàn)中心的連接軸；

③ 陣面本身的機(jī)械軸。

設(shè)計(jì)一種用來(lái)安裝慣導(dǎo)和GPS天線(xiàn)的標(biāo)校桿，并對(duì)標(biāo)校桿加工時(shí)的形位公差提出要求。標(biāo)校桿的設(shè)計(jì)如圖1所示。陣面設(shè)備具有反映自身機(jī)械軸基準(zhǔn)的標(biāo)校平面，將標(biāo)校桿安裝在設(shè)備預(yù)留的標(biāo)校平面上，依靠設(shè)計(jì)、加工和裝配精度保證了3軸指向的一致性，慣導(dǎo)安裝至陣面設(shè)備，如圖2所示。

2 慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速收斂

為實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的快速收斂和達(dá)到較高的收斂精度，主運(yùn)載體需要通過(guò)做S形機(jī)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度、加角速度的匹配傳遞對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)持續(xù)供電的UPS滿(mǎn)足了跑車(chē)試驗(yàn)的供電需求。跑車(chē)試驗(yàn)如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)錄取、處理及誤差分析

跑車(chē)試驗(yàn)結(jié)束后，將慣導(dǎo)在不斷電情況下安裝至標(biāo)校桿的相應(yīng)位置上，為主慣導(dǎo)和子慣導(dǎo)同時(shí)加電，保證了GPS固有時(shí)戳的一致性，并以20 Hz的數(shù)據(jù)率開(kāi)始錄取數(shù)據(jù)。錄取時(shí)長(zhǎng)為20 min。錄取后數(shù)據(jù)如圖4所示。

將圖4中所示的姿態(tài)角信息提取出來(lái)，為更好地對(duì)比，繪制出兩者坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的相對(duì)姿態(tài)信息對(duì)比圖如圖5所示。

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

C=CγCθCψ

設(shè)主慣導(dǎo)的轉(zhuǎn)換矩陣為C1，設(shè)備子慣導(dǎo)處的轉(zhuǎn)換矩陣為C2，則主慣導(dǎo)到設(shè)備子慣導(dǎo)處的轉(zhuǎn)換矩陣為C=C2C1-1，然后求解出矩陣C中的相對(duì)姿態(tài)角。選擇錄取數(shù)據(jù)中相對(duì)穩(wěn)定的一段，計(jì)算出設(shè)備子慣導(dǎo)相對(duì)于甲板主慣導(dǎo)的相對(duì)姿態(tài)角。繪制曲線(xiàn)如圖5所示。

將圖5中的相應(yīng)兩數(shù)據(jù)求差值。繪制差值數(shù)據(jù)如圖6所示。對(duì)圖6中數(shù)據(jù)求平均值，得到兩位置的相對(duì)姿態(tài)信息如下：相對(duì)俯仰角為19.82°，相對(duì)航向角為87.85°，相對(duì)橫滾角為0.117°。

將圖6中的數(shù)據(jù)與求解出的設(shè)備測(cè)算值做差值，可以得到設(shè)備測(cè)算值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差波動(dòng)曲線(xiàn)，并以該值作為本次測(cè)量的測(cè)量精度，如圖7所示。

由圖7可知，本次姿態(tài)角測(cè)量的俯仰精度和橫滾精度在0.02°以?xún)?nèi)，航向精度在0.1°以?xún)?nèi)。

4 標(biāo)定結(jié)果

利用上述方法對(duì)3個(gè)不同陣面設(shè)備進(jìn)行位置解算后形成的最后結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)備子慣導(dǎo)相對(duì)于主慣導(dǎo)矢量差值