舰载多阵面机械零位动态对准方法研究

朱学凯，田 野，李 龙，顾林卫，徐 铎

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225101;2.北京七维航测科技股份有限公司南京分公司，南京210000)

0 引 言

阵面对准是阵面研制、试验、使用中的一项重要的工作，目的是检查、调整阵面的机械、电器零位是否满足设计指标的使用要求[1-2]。舰艇作战系统对准一般分为船坞对准阶段和系泊对准阶段[3]。通常阵面的机械零位对准是在船坞内静态下完成的。

研制中的设备在进行海上航行试验时需要对舰船的动态姿态信息进行修正，以实现对目标的稳定搜索与跟踪。魏学通[4]提出了一种基于光电测量的陀螺经纬仪标校方法，可以在光路不通视的情况下完成方位标定，从而解决不同甲板层的方位标定问题。但是，该光学方法仅适合在静态下的标定。赵馨[5]借助CCD相机、激光经纬仪、全球定位系统等器件实现了对舰载阵面的零位标定。该方法可以克服舰艇摆动带来的系统误差，但需要借助岸边已知坐标值的固定基准点，且方法较为复杂。某阵面设备试验时由于条件受限无法进入船坞内进行静态对准，试验船停靠码头时存在明显的摆动，光学标定方法已无可能，且码头周围无可利用的基准点、标定塔等设施，故需要采用一种不依靠外部资源的标定方法。

本文介绍了一种基于GPS双天线的组合惯导测量系统，利用GPS固有时戳，实现两位置姿态信息的实时输出，最终利用转换矩阵将舰船的姿态信息传输到多个阵面设备上，从而完成多阵面相对姿态的标定。

1 标校工装的设计

为保证惯导系统的测量精度，需要实现以下3轴的平行：

① 惯导主机中心轴Y轴；

② 两GPS天线中心的连接轴；

③ 阵面本身的机械轴。

设计一种用来安装惯导和GPS天线的标校杆，并对标校杆加工时的形位公差提出要求。标校杆的设计如图1所示。阵面设备具有反映自身机械轴基准的标校平面，将标校杆安装在设备预留的标校平面上，依靠设计、加工和装配精度保证了3轴指向的一致性，惯导安装至阵面设备，如图2所示。

2 惯导系统的快速收敛

为实现惯导测量系统的快速收敛和达到较高的收敛精度，主运载体需要通过做S形机动来实现速度、加角速度的匹配传递对准。通过持续供电的UPS满足了跑车试验的供电需求。跑车试验如图3所示。

3 数据录取、处理及误差分析

跑车试验结束后，将惯导在不断电情况下安装至标校杆的相应位置上，为主惯导和子惯导同时加电，保证了GPS固有时戳的一致性，并以20 Hz的数据率开始录取数据。录取时长为20 min。录取后数据如图4所示。

将图4中所示的姿态角信息提取出来，为更好地对比，绘制出两者坐标转换后的相对姿态信息对比图如图5所示。

因主惯导与子惯导属于两个不同的载体坐标系，需要借助旋转矩阵求解出两者的矢量变换。设ψ为载体航向角，θ为俯仰角，γ为横滚角，地理坐标系绕负Z轴转ψ角，绕X轴转θ角，再绕Y轴转γ角，则得载体坐标系，它们之间的转换矩阵为[6]

C=CγCθCψ

设主惯导的转换矩阵为C1，设备子惯导处的转换矩阵为C2，则主惯导到设备子惯导处的转换矩阵为C=C2C1-1，然后求解出矩阵C中的相对姿态角。选择录取数据中相对稳定的一段，计算出设备子惯导相对于甲板主惯导的相对姿态角。绘制曲线如图5所示。

将图5中的相应两数据求差值。绘制差值数据如图6所示。对图6中数据求平均值，得到两位置的相对姿态信息如下：相对俯仰角为19.82°，相对航向角为87.85°，相对横滚角为0.117°。

将图6中的数据与求解出的设备测算值做差值，可以得到设备测算值与实际测量值之间的误差波动曲线，并以该值作为本次测量的测量精度，如图7所示。

由图7可知，本次姿态角测量的俯仰精度和横滚精度在0.02°以内，航向精度在0.1°以内。

4 标定结果

利用上述方法对3个不同阵面设备进行位置解算后形成的最后结果如表1所示。

表1 设备子惯导相对于主惯导矢量差值