艦船設(shè)備基座水平度差分無線測量技術(shù)

中圖分類號：E919 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.04.018

引用格式：葛亞明，李宏媛，王德清，等.艦船設(shè)備基座水平度差分無線測量技術(shù)[J].指揮控制與仿真，2025，47（4）：118-124.GEYM，LIHY，WAGDQ，etal.DieretialwelessmeasurementtcologofountlevelnessofipqpentJ]oControl amp; Simulation，2025，47（4） ：118-124.

Abstract：Levelness isan important parameterof shipmount.Aiming atthe synchronous measurementof multiplemounts in mooring state，adiferentialwirelessmeasurement technologyof mountlevelnessisproposed.Using thepositionsymmetryof the mountsensor，the measurement errorcaused bythenon-paralelism between the measurement planeof theinclination sensorandthemountplaneiseliminated.Using thecombinationofatomicclockandconstanttemperaturecrystaloscilator， theclocksynchronizationofthemeasurementsystemintheclosedcabin isrealized.Theshiprollangleisdeterminedbya symmetrical sensorinthetransversesectionoftheship，andtheinfluenceofshipdeformationonthemeasurementresultsis eliminated.Theexperimentalresultsshowthat thediferential wireless measurementtechnologyofmountlevelnescanrealize the synchronous measurementof shipmulti-mountlevelnesswithhigh precision，andithasbeen testedandverified intheactual environment of a shipyard with good results.

KeyWords：mount levelness;differential measurement；hullroll angle；clock synchronization

為了保障大型船舶中電子設(shè)備、導航設(shè)備等各種精密裝備的有效使用，研究人員需要將此類裝備安裝在專用設(shè)備基座上，這些基座是大型船舶建造過程中難度最大、也是最重要的項目之一[1-5]。從設(shè)計角度，設(shè)備姿態(tài)坐標系需協(xié)調(diào)一致，即機械零位要滿足設(shè)計誤差要求[4]。機械零位包含水平度指標，其是船舶設(shè)備基座在安裝、調(diào)試、校驗和維修過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)之一。

很多學者針對船舶設(shè)備基座水平度測量進行了研究。對于單個設(shè)備基座水平度，白風宇[5]等人建立了圓形基座面和水平面的幾何結(jié)構(gòu)模型，通過幾何關(guān)系推導出圓形基座面上每個點的水平度值，并推導出了最大水平度方向。丁德勇[2等人利用物理和數(shù)學模型推導出火炮基座的水平度計算公式，可計算 360^° 范圍內(nèi)水平誤差分布情況。金永明[3]等人提出了電子裝備基座水平誤差的修正方法，并在某船廠電子裝備基座加工中得到了應用。張君利用傾角傳感器，實現(xiàn)船體基座水平度和平面度測量。

在系泊狀態(tài)下，由于船體不在船塢內(nèi)且處于漂浮狀態(tài)，通常采用差分方式測量設(shè)備基座水平度。葛亞明[1]等人開發(fā)了系泊狀態(tài)下基于無線通信方式的船舶基座水平度自動測量系統(tǒng);在此基礎(chǔ)上，葛亞明[等人又設(shè)計了安裝基準測試系統(tǒng)和測量軟件。秦海軍[4]等人分析了水平度誤差對單機設(shè)備俯角誤差的影響，給出了校準機械結(jié)構(gòu)方案、補償公式和校準參數(shù)計算方案。劉吉富[89]等人利用重力傳感器開發(fā)了平臺傾度測量設(shè)備，并探討了橫搖對測量精度的影響。李政陽[1]針對海態(tài)水平度測量要求，實現(xiàn)了海態(tài)運動變化和遠距離測量功能。在差分測量技術(shù)中，測量系統(tǒng)時鐘需要保持同步，根據(jù)采樣率和采樣精度要求，通常需要保持在百毫秒級。劉愛東[1-12]等人利用精確時鐘同步協(xié)議1588設(shè)計了相對水平度無線差分測量系統(tǒng)的對時方案，并基于ACoreOS操作系統(tǒng)設(shè)計了相對水平度差分測量系統(tǒng)的應用軟件。

本文提出艦船艙內(nèi)多個基座水平度同時測量的無線差分測量方案，實現(xiàn)系泊狀態(tài)/浮態(tài)下艦船基座水平度的測量，消除傳感器引人的測量誤差，并從水平度測量中解析出船體橫搖角度。

1艦船多基座水平度差分測量技術(shù)

1.1 基座模型和坐標系

如圖1所示船體兩個艙段中，基準平面1位于艙段1內(nèi)，基準平面2、基座1和基座2位于艙段2內(nèi)，基座1和基座2與基準平面2間的距離都為 L 作者建立如下坐標系[13]：船體坐標系 OX，Y，Z_s （其中， Y_s 軸指向艦， X_s 軸指向右舷， Z_s 軸垂直于甲板面并指向上）；基準平面坐標系OXYZ（各軸方向平行于與船體坐標）和設(shè)備基座坐標系 OX_wY_wZ_w （為右手坐標系，坐標軸與設(shè)備坐標軸平行，方向相同）。基準平面坐標系到設(shè)備基座坐標系的變換由3次單獨轉(zhuǎn)動組成，先縱搖 ψ 角（繞X 軸轉(zhuǎn)，艦上仰為正），后橫搖 θ 角（繞Y軸轉(zhuǎn)，右舷下沉為正），再旋回 H 角（方向誤差角，繞 Z 軸轉(zhuǎn)動，逆時針為正）。

在系泊狀態(tài)下，由于無法確定船體靜態(tài)零位，基座傾角的測量基準以基準平面1為參考點。因為艦船采用分段建造，所以在艙段內(nèi)會建立輔助基準，即基準平面2。因此，對于傾角傳感器2的輸出值包含：

Val_sr=α+β+γ+δ

式中， Val_sr 為傾角傳感器的輸出值； α 為基準平面1與水平面之間的夾角； _β 為基準平面2與基準平面1之間的夾角； γ 為基準平面與基準平面2之間的夾角；δ為傳感器測量平面與基座平面之間的夾角，見圖2。

若存在船體運動及變形等，則傳感器輸出值為Val_sr=α+β+γ+δ+Val_roll+Val_pich+Val_distorion （2）式中， Val_roll 為船體橫向擺動（船體沿縱向轉(zhuǎn)動）引起擾動值; Val_pitch 為船體縱向擺動（船體沿橫向軸轉(zhuǎn)動）引起的擾動值; Val_distortion 為船體變形引起的擾動值。本文主要聚焦在船體橫向擺動擾動和船體形變擾動，因此假設(shè)船體縱向擾動為0。

圖1船體坐標系與基座分布

Fig.1Hullcoordinatesystemandmountarrangement

圖2基座傾角模型

Fig.2 Mountinclinationmodel

1.2基座傾角高精度測量

當傳感器測量平面和基座平面不平行時，就會存在 δ 角度誤差，如圖3所示。因此，在基座中心兩側(cè)采用對稱分布測量點1和測量點2，距離中心距離都為R ，則：

式中， ε=α+β+γ 為基座相對于水平面的傾角值;δ為傳感器平面與基準平面之間夾角，也就是由傳感器引入的擾動值； Val_sr1 為傳感器1的輸出值； Val_sr2 為傳感器2的輸出值。由于基座尺寸相對船體很小，因此船體形變引起的擾動對于基座上兩個傳感器是相同的，所以并未寫入到公式中。聯(lián)立公式（3）和（4）可得：

由此可見，通過布置對稱傾角傳感器，可以消除傳感器測量平面和基座平面不平行引入的測量誤差，由此可以提高測量精度。王娟[14等人針對雷達轉(zhuǎn)臺水平度測量過程中離心力對重力加速度分量的干擾問題，采用了類似的雙傳感器對稱分布解決方案，消除了轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)離心力的干擾。

利用上述方法，可以測量出基準平面1傾角值α_ref1 、基準平面2傾角值 α_ref2 、基座1傾角值 ε_mt1 和基座2傾角值 ε_m2 ;因此，利用差分測量原理，就可得到設(shè)備基座1相對于基準平面1的水平度值：

level_mel=ε_mel-α_ref

level_mel2=ε_mi2-α_ref1

β=α_ref2-α_ref1

式中， level_mt1 為基座1相對于基準平面1的水平度差值， level_m2 為基座2相對于基準平面1的水平度差值。

圖3基座傾角測量原理

Fig.3Measuringmethodofmountinclination

1.3船體橫搖角測量

假設(shè)船體發(fā)生橫搖，沿著 Y_s 軸轉(zhuǎn)動了 θ 角度。由于船體是分段設(shè)計和建造，可以認為在同一個分段內(nèi)，由橫搖引起的變形是相同的。根據(jù)圖1，在船體艙段2橫截面 AA^′ 內(nèi)，基座1、基座2和基準平面2分布如圖4所示。

根據(jù)公式（6），基座1和2的傾角值為：

圖4船體橫搖引起的基座傾角

Fig.4Mount inclination angle caused by the hull roll

（204號 （10）（Val_sr4-Val_sr3）/2=θ+α+β+γ_mi2+Val_distorion （11）式中， γ_mt1 為基座1相對于基準平面2的夾角； γ_m2 為基座1相對于基準平面2的夾角； Val_sr3 和 Val_sr4 測量基座2的2個傳感輸出值。

利用公式（11）減去公式（12），可得：θ=（Val_sr2+Val_sr4-Val_sr3-Val_sr1）/4+（γ_m2-γ_m1）/2

假設(shè)基座1和基座2都已經(jīng)調(diào)整，并與基準平面2平行，則 γ_m2=γ_mt1=0 ，因此

由此，可以計算得到船體橫搖的角度。

2艦船多基座水平度差分測量軟件

2.1基座傾角數(shù)據(jù)采集與傳輸

傾角傳感器采用專用接口和編碼協(xié)議，需經(jīng)專用解碼器對其進行解碼，并按照“度分秒”格式對解碼后的傾角值進行轉(zhuǎn)換，供上位機顯示和數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)經(jīng)粗大誤差與系統(tǒng)誤差消除后[7]，將傾角值與設(shè)備時鐘進行統(tǒng)一編碼，并調(diào)用無線通信子程序發(fā)送給上位機主程序，其流程如圖5所示。

艦船多基座水平度差分測量流程如圖6所示，測量主機通過無線傳輸方式接收艦船主基準、設(shè)備基準的傾角數(shù)據(jù)和水平度數(shù)據(jù)；利用時間匹配原則，計算得到所有設(shè)備基準的水平度數(shù)據(jù)。

2.2系統(tǒng)時間同步任務

由于艦船殼體采用封閉結(jié)構(gòu)，會屏蔽北斗等無線信號，無法保證采集設(shè)備時鐘的同步。傳統(tǒng)解決方案是將采集設(shè)備從船艙內(nèi)取出，在甲板或陸地上進行北斗或GPS授時，然后再安裝回船艙繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；在授時期間，水平度測量工作處于停止狀態(tài)。

圖5基座傾角數(shù)據(jù)采集與傳輸 Fig.5Data acquisition and transmission of mountinclination

劉愛東[1-12]等人利用時鐘同步協(xié)議1588對水平度無線差分測量系統(tǒng)時鐘進行同步，作者強調(diào)此方案適用于網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定的本地化局域網(wǎng)環(huán)境。在實際場景下，船艙內(nèi)部通常不滿足此條件。因此，本文采用了“原子鐘 + 晶振”的移動式組合方案，如圖7所示。

解碼后的設(shè)備基座傾角值如圖9所示，圖右側(cè)顯示了“度分秒”格式的基座傾角值。數(shù)據(jù)第1列為采集的時鐘信息，采用了HH：MM：SS.SSS格式，數(shù)據(jù)存儲周期為0.5秒。左側(cè)第2列為傾角值的符號位，正值表示圖3中傳感器2的位置高于傳感器1的位置：第三列開始為傳感器的傾角值。從存儲的數(shù)據(jù)中可以看出，

銫原子鐘采用便攜式設(shè)計，根據(jù)北斗衛(wèi)星信號，將銫原子振蕩器輸出頻率馴服并同步于北斗衛(wèi)星的銫原子鐘信號上。然后，將便攜式銫原子鐘移動到艙內(nèi)，對艙內(nèi)基座水平度測量設(shè)備進行授時，從而保證艙內(nèi)所有測量設(shè)備的時鐘同步。

圖6基座水平度差分測量流程 Fig.6Differentialwirelessmeasurement technologyofmount levelness

艙內(nèi)基座水平度測量設(shè)備授時流程如下：測量設(shè)備晶振時鐘首先發(fā)出同步申請，開啟時鐘同步線程，打開允許修改時鐘指令，等待原子鐘的授時；時鐘同步完成后，測量設(shè)備再設(shè)置禁止指令和關(guān)閉同步線程，具體流程如圖8所示。

3 實驗與數(shù)據(jù)驗證

圖7多基座水平度差分測量系統(tǒng)時鐘同步方案 Fig.7Clock synchronization of differential wireless measurement system ofmulti-mount levelness

傳感器數(shù)據(jù)存在明顯的異常值，因此需要加以剔除。

測量設(shè)備恒溫晶振的時間漂移如圖10所示。從 圖中可以看出，當系統(tǒng)運行約100小時后，晶振漂移時

間就會超過50毫秒。根據(jù)文獻［11]，風力小于3級、海況小于4級條件下，艦船最大搖擺幅度為 ±0.5^° ，最短搖擺周期為6秒，艦船裝備基準面水平度 level_m 可以近作滿足正弦函數(shù) level_melmt=0.5×sin（π/3×t） + level_mt0 ，角度誤差值10角秒對應的時間誤差約為5.3毫秒；因此，根據(jù)圖10數(shù)據(jù)，測量設(shè)備的授時周期應該在2天以內(nèi)。由此可見，利用“原子鐘 + 晶振”的移動式組合方案可以實現(xiàn)設(shè)備授時期間不停機，同時大幅度降低系統(tǒng)維護工作量。

圖10測量設(shè)備的恒溫晶振時間漂移Fig.10 Time driftof the constant-temperaturecrystal oscillatorof themeasuringequipment

設(shè)備基座1的兩個傾角傳感器數(shù)據(jù)如圖11所示，其中，傳感器1輸出范圍為 [-600，-450] 角秒，傳感器2輸出范圍為［450，600]角秒。由于兩個傳感器在同一個基座上，因此二者呈現(xiàn)出明顯的對稱性。

圖11基座1的傾角傳感器數(shù)據(jù)

Fig.11Inclination sensor data of mount 1

利用公式（7）得到基座1相對于基準平面1的傾角值，如圖12所示。從圖中可以看出，傾角值存在明顯擾動，利用水平度檢測方法中的均值濾波[15]，可以明顯消除測量結(jié)果中的噪聲，測量結(jié)果極差在20角秒以內(nèi)。按照GJB1233A-2008中5.2.1要求[15]，船臺狀態(tài)下，艦船基準平臺水平度偏差應不大于30角秒，因此，系泊狀態(tài)下的設(shè)備基座水平度差分無線測量精度已經(jīng)可以達到船臺半靜態(tài)下的測量精度。

利用相同的方法，可以得到基座2相對于基準平面2的傾角值，如圖13所示。

圖12基座1相對于基準平面1的傾角值 Fig.12 Inclination data of mount 1 relative to thereference plane1

圖13基座2相對于基準平面1的傾角值Fig.13Inclination data of mount 2relativetothereferenceplane1

根據(jù)公式（12）計算得到艙段2的橫搖角，如圖14所示。從圖中可以看出，橫搖角呈現(xiàn)明顯波動，這與文獻[11]中水平度曲線是正弦函數(shù)的假設(shè)相一致，但幅值和頻率并不固定，這可能是由于系泊狀態(tài)下船體受岸邊海浪和海風的影響導致。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了系泊狀態(tài)下艦船基座水平度差分無線測量技術(shù)，通過傳感器對稱結(jié)構(gòu)消除了基座傳感器擺放位置引起的測量誤差，基于同艙段內(nèi)的兩個基座傾角值解析了艦船橫搖角度，并開發(fā)多基座水平度差分測量系統(tǒng)的硬件設(shè)備和配套軟件。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，多基座水平度差分測量技術(shù)可以實現(xiàn)基座水平度的高精度測量，利用均值濾波器就可以有效消除數(shù)據(jù)中的測量噪聲。此套裝備已經(jīng)在某船廠的實際環(huán)境下測試驗證，使用效果良好，具有一定的應用價值。

圖14船體艙段的橫搖角 Fig.14Rollangle of hull subdivision

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（責任編輯：胡前進）