船用光纖陀螺羅經試驗方法

霍 庚，溫朝江

（ 92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

羅經是用于確定艦船航向和觀測物標方位的儀器，廣泛應用于航海導航中，它為艦船的安全航行提供保障[1-3]。陀螺羅經通過陀螺等慣性器件敏感載體角運動，利用機械穩定平臺或數學平臺計算得到載體在當地地理坐標系下的航向和姿態等信息。

傳統平臺羅經均采用機電式陀螺（如液浮陀螺、撓性陀螺），框架式結構，陀螺轉子由隨動裝置支撐，結構復雜。陀螺電機運動時產生的附加干擾力矩和支撐懸掛點產生的摩擦力矩都會導致誤差。由于存在啟動時間長，陀螺受到沖擊時產生的誤差大，可靠性差等缺點，故維修成本略有提高。在艦船遭遇突發狀況及在各種復雜情況下，傳統平臺羅經因具有一定的局限性，從而影響了艦船航行的安全和效率。

近年來，激光和光纖陀螺儀技術日趨成熟，由于其自身顯著的優點，船用羅經技術已逐步向光學陀螺船用羅經技術的方向發展[4-5]。相比激光陀螺存在閉鎖現象且生產工藝復雜等問題，光纖陀螺因其自身體積小，重量輕，性價比高，更適用于捷聯式羅經系統。

本文通過對光纖陀螺羅經的工作機理及影響整體性能的關鍵技術進行分析，提出了1 種針對光纖陀螺羅經試驗的鑒定方法。該方法采用海陸結合的試驗模式，根據陸上試驗與海上試驗的特點，取長補短，進行有針對性的分析研究，并根據實際需求重點開展了對試驗航區、試驗航次設計等關鍵條件以及重要指標考核方式的確立，該方法具有一定的可行性。

1 光學陀螺羅經工作機理

光學陀螺羅經的基本原理是基于薩格奈克相移效應，與其他陀螺相比，它全固態、無機械活動部件，陀螺精度和可靠性高于液浮陀螺和撓性陀螺。相較于航空航天、陸戰等領域，航海領域的光纖陀螺羅經的特點在于能夠提供長時間高精度的載體航向等導航信息。因此，航海導航對光纖陀螺精度有著不同的使用要求。影響光纖陀螺羅經指向精度的重要因素是零偏穩定性。

目前，國內光纖陀螺的研制水平已接近慣性導航系統的中、低精度要求，中等精度光纖陀螺技術已經成熟，精度優于0.01( °) /h，高精度光纖陀螺精度優于0.001( °) /h[3-8]。由于艦船使用環境的特殊性，可根據系統精度及其他任務指標要求進行合理選型，以滿足海上環境適應性要求。

光學陀螺羅經系統整體采用模塊化設計，由慣性測量單元、導航結算單元等組成，其工作原理，如圖1所示。

圖1 光學陀螺羅經的基本工作原理圖Fig.1 Basic working principle diagram of optical gyrocompass

光學陀螺羅經解決了框架結構帶來的缺陷，避免了艦船頻繁機動運動時帶來的沖擊及搖擺產生的航向誤差。光學羅經在高緯度工作時采用極地算法[9-13]，可抑制航向誤差的快速發散，能保證一定的使用精度，使工作范圍變廣，適用性增強。

慣性測量單元由光學陀螺儀和加速度計構成，直接與載體固聯，慣性測量元件易于重復布置，實現冗余技術，可靠性明顯提高。系統采用捷聯式羅經方案，由高速計算機代替框架結構，用數學平臺取代了傳統羅經繁復的機械式平臺結構。通過采集慣性測量單元輸出的載體加速度和角速度信息，經數字解算，輸出載體的航向、水平姿態和角速度等信息。

2 關鍵技術分析

2.1 初始對準技術

初始對準是羅經進入導航階段的必經階段。對準的精度直接影響羅經的精度水平；對準時間決定了艦船的反應速度。羅經法自對準是1種常用的初始對準方法[3]，適用于光學陀螺羅經初始對準。該方法是基于經典控制理論，利用羅經項的影響，控制方位軸找北且不依賴于外界信息的對準方法，適用于載體無速度的條件即靜基座條件下使用。當載體存在速度時，陀螺儀和加速度計會感知到載體的角速度和線速度信息，通過控制回路影響羅經對準效果。光學陀螺羅經對準分為水平對準和方位對準[14-16]。為了滿足水平精對準對速度和精度要求，本文將系統設計具有抗干擾能力的二階水平對準回路。北向通道，如圖2 所示，東向通道與北向類似。

圖2 北向通道水平精對準原理方框圖Fig.2 Block diagram of horizontal alignment principle for the northbound passage

圖2 中：φE，φU分別為東向失準角和方位失準角；wN=wiecosL（L為當地緯度）；εE分別為等效的東向陀螺漂移，?N為等效的北向加速度計偏置；g為重力加速度；K1、K2為北向水平對準中的設計參數。東向和北向的對準回路相似，因此，這里只討論北向水平對準回路。引入K1改變系統的阻尼比，通過選擇合適的參數，東向失準角雖能收斂，但收斂速度很慢，需要84.4 min 才能完成1 個周期的衰減。引入K2則可改變系統的振蕩頻率，從而加快收斂，形成二階快型水平對準回路[17]。

光纖陀螺羅經從啟動到輸出有效的姿態信息只需十幾分鐘，這使對準的速度和準確率顯著提高，尤其是在高緯度或高速頻繁機動時，光學羅經優勢更加明顯。

2.2 阻尼技術

光纖陀螺羅經在長時間工作時，存在3 種振蕩誤差，誤差會隨時間的發散而影響系統精度。因此，為了保證羅經長時間高精度工作，通常采用阻尼技術來抑制振蕩誤差[18]。根據運動狀態的不同，采用不同的阻尼方式，如內阻尼、外阻尼及全阻尼。外阻尼實際上是光學羅經與GPS、磁羅盤、高度表、測流儀等外部傳感器進行組合導航，對設備主要誤差源等信息進行估計和補償，使整體性能得到大幅提高[4]。

圖3 光學陀螺羅經組合導航原理框圖Fig.3 Block diagram of optical gyrocompass integrated navigation

3 試驗方法研究

光學陀螺羅經作為航行保障設備，其特點在于航向不隨時間發散，可長時間保持高精度的姿態信息，具有一定的環境適應能力。工作方式分為自主方式和外部信息組合方式，這2 種工作方式都能滿足艦船在各種機動條件下正常工作及長航時、高可靠性自主工作的需求。因此，在試驗設計時應立足艦船的不同運動狀態充分考核不同海域、不同海況及洋流條件下，羅經的自主工作能力，特別是在復雜環境及邊界條件下。本文在借鑒國內外慣性導航試驗方法的基礎上，充分考慮時間成本、資源成本及經濟成本，提出1 種適合船用光學陀螺羅經系統的試驗鑒定方法，在技術狀態一致的前提下，可提高利用試驗信息的綜合效率，采用海陸結合一體化、綜合評估的試驗模式。光學陀螺羅經試驗鑒定模式總體框圖，如圖4所示。

圖4 光學陀螺羅經試驗鑒定模式總體框圖Fig.4 General block diagram of optical gyrocompass test identification model

1）陸上試驗與海上試驗相結合

若要提升光學陀螺羅經的精度并提高其可靠性，必定會使試驗考核周期有所延長。由于試驗航區，海況條件和載體保障能力有限，在海上完成機動條件下的測量存在一定難度，尤其是對復雜環境下的艦船大幅值偏航、搖擺、升沉以及大機動條件等。單純的海上試驗無法實現全面考核，因其不僅增加了海上試驗的風險，同時也加大了試驗難度，因此，開展陸上試驗，進行相關項目的考核就尤為必要。

基于光學羅經試驗周期長、全天候，海域范圍大和自成體系的特點，光學羅經試驗可通過陸上試驗和海上試驗2個階段來完成，整個試驗以海上試驗為主，陸上試驗為輔。海上試驗主要對光學羅經在實際航行中的重要性能指標（如精度指標）及環境適應性進行考核，摸清復雜環境及邊界條件下光學羅經系統的主要性能特點；陸上試驗主要針對海上試驗中因實施困難而無法充分考核的項目或根本不具備考核條件的項目進行的補充試驗，它是依托陸上模擬仿真系統，陸上實驗室條件及試驗車等進行復雜干擾環境構建、邊界條件模擬考核、故障分析等，主要完成慣性器件測試與標定、搖擺試驗、升沉試驗及沖擊試驗。

2）內場試驗與外場試驗相結合

外場試驗受限因素多、實施難度大，存在一定安全風險。對于重要指標來說，若外場不具備考核條件或效費比較低，可通過內場試驗得到充分考核或驗證；對于內、外場均可實施的試驗項目而言，可根據權重，設計分配內、外場試驗項目進行考核。內場試驗以實驗室試驗為主，包括高低溫、鹽霧、沖擊、振動、電磁兼容試驗等，并對環境適應性、電磁兼容性等指標進行考核。

3）綜合評估

通過陸上和海上試驗獲得的數據，對光學羅經總體性能指標進行綜合評估，可改變以往由單一海試結果決定羅經精度性能評估的模式。將陸上、海上試驗結果以加權平均的方式給出系統綜合評定指標，以提高羅經精度的最終評估準確性和全面性。

4 試驗設計的關鍵條件

4.1 試驗航區及機動條件設計

光學陀螺羅經適用于各種類型的艦船，主要以保障其安全航行為主。光學陀螺羅經需要具有全球范圍內的航行能力，包括在公海、沿海以及極地地區[5-6]。在試驗設計時，要充分考慮緯度變化對系統精度的影響。傳統的試驗方法中，試驗海域單一，緯度跨度小，不能充分激發系統誤差特性。該方法將選擇緯度跨度大的海域作為試驗航區，如高低緯海域（極地地區和赤道），這樣既有近海海域又涉足遠海海域。試驗航區設計應充分考慮將合理性、安全性、經濟性和可操作性相結合的原則，保證達到試驗目的。

光學陀螺羅經處于不同的工況（海況）下會表現出不同的誤差特性，因此，設計不同的艦船機動方式，可以充分激勵羅經系統在試驗過程中出現最大誤差（顯著影響試驗結果），這樣可最大程度地掌握系統特性，以此摸清光學陀螺羅經的性能邊界。該方法在機動適應條件考核指標中對每個樣本增加了機動次數和機動樣式的設計，如機動次數不少于3次，機動樣式采取混合機動和大機動相結合的方式，混合機動應包括勻速直航、變速和旋回等運動，每種機動運動時間依實際情況設計。

4.2 試驗樣本的確定

指標考核試驗中，試驗樣本之間相關緊密，并非獨立。試驗樣本設計的合理性直接影響其對系統性能指標評定的結果。光學羅經的精度指標均符合正態分布，1個有效試驗航次記為1個試驗樣本，試驗樣本過少，即航次越少，與正態分布的差異就越大，這樣就不能充分反應系統的性能特性，難以取得具有統計意義的試驗結論，從而失去了試驗評定的意義[7]。試驗樣本過多，即航次過多，這樣就會提高試驗風險和成本，增加試驗周期。

通常情況下，慣導試驗樣本數量應不小于8個，考慮到近年來國內慣性導航系統精度的飛速提升，保精度時間越來越長，外場試驗測量難度加大，人力、費用消耗大等因素，在試驗置信度為95%的情況下，可將期望均值置信限提高為1.5 倍樣本標準差，來達到降低試驗次數的目的，但至少不能少于3次。

本文提出根據慣導誤差特性與規律，優化調整不同樣本測試數量與時長，采取長短樣本結合的模式，研究各類樣本之間的相關性，根據長航時與短航時系統性能呈現的關聯性，增加短航時樣本數量，并利用短航時樣本預測長航時系統性能，減少長航時樣本數量。在降低試驗總時長的同時，確保試驗性能測試的充分性，提高海上試驗效率。

5 試驗驗證

根據上述總體試驗方案和試驗設計的關鍵條件，進行了羅經系統陸上搖擺試驗和海上航行試驗，驗證該方法的合理性和可行性。

5.1 陸上搖擺試驗

將光纖陀螺羅經系統安裝在三軸搖擺轉臺上，設置三軸轉臺的各項搖擺指標（包括內外框幅值、周期、轉臺方位）。設置好參數后，轉臺的3個軸同時進行搖擺運動，在搖擺過程中，分別設計大幅度搖擺和小幅度搖擺交叉的方式，以模擬不同海況條件。按照羅經系統工作方式進行樣本設計，分為A、B、C 三大類，每類樣本時長2 h，根據指標的優先級確定A、B 類樣本做8 個，C 類樣本做3 個，數據錄取裝置全程記錄試驗數據。記錄啟動時間，按指標要求進行航向、縱搖、橫搖誤差（MAX）的統計，最后進行數據處理分析。

5.2 航行試驗

為了進一步驗證方案的合理性，搭載某船進行海上驗證試驗，以單軸慣性導航設備為基準進行參照，在航行過程中進行初始對準，按計程儀速度組合和GPS位置+計程儀速度組合2種方式進行考核，分別記為樣本A 和B，采取B 短樣本與A 長樣本結合的試驗設計方法，在每個樣本航行期間結合混合機動和大機動條件考核主要指標的動態精度，每種機動時間不少于15 min，實際試驗鑒定具體機動時間可視情完成。數據錄取裝置全程記錄試驗數據，記錄啟動時間，按指標要求進行航向、縱搖、橫搖誤差（MAX）的統計。最后進行數據處理分析。根據考核要求，綜合陸上搖擺試驗和海上試驗結果，充分驗證了該方法科學合理，具有可行性和可操作性。

6 結束語

本文在對光學陀螺羅經工作機理和關鍵技術深入分析的基礎上，提出滿足光纖陀螺羅經試驗鑒定需求的試驗理念和試驗模式，利用該方法進行試驗設計，對試驗設計中的關鍵條件和重要指標考核因素等重點方面進行詳細的分析與闡述，最后通過陸上和海上試驗，驗證該方法科學合理，具有可行性和可操作性，在試驗鑒定工作中具有一定的實踐意義。該試驗方法在實施的過程中還可能會面臨諸如因試驗所需真值測量設備可選范圍越來越小而帶來的試驗測試手段不完備，試驗保障能力不足、環境不逼真帶來的對復雜環境及邊界條件下考核不充分等問題，后續會針對上述問題重點開展復雜環境及邊界條件仿真試驗及評估方法研究。