基于过渡点的大型舰船局部基准动态标定方法∗

（海装沈阳局驻大连地区第三代表室 大连 116000）

1 引言

导航系统作为舰船指挥控制系统［1～5］的重要组成部分，既为舰船在海上的航行提供指引，同时也为导弹武器系统提供初始位置导航信息。目前，大型舰船中比较常用的导航系统有卫星导航、无线电导航、惯性导航等。其中卫星导航定位精度高，时间稳定性好，但是其正常工作需要舰船实时接收卫星信号，存在一定的安全隐患，而惯性导航设备因其工作时的无源性，恰恰可以弥补卫星导航［6～9］的这一弱点。

惯性导航［10～13］设备正常工作时不需要借助于外部辅助信号，但是它的安装精度会直接影响其姿态精度。大型舰船中，为了更好地测量船体的姿态和位置信息，通常在船体的不同位置安装多套惯性测量单元，每套惯性测量单元会在其安装部位形成一个局部基准，基准轴与惯性测量单元的坐标轴重合。这种情况下，多个局部基准之间的安装误差也会影响导航系统的测量精度。

对局部基准进行坐标轴标定［14～16］可以减小安装误差，同时可以通过数据后期处理补偿残余安装误差。静态条件下，传统的局部基准标定方法一般使用电子水平仪和陀螺经纬仪等测量仪器直接对其进行测量，但是动态条件下，电子水平仪和陀螺经纬仪不能工作，而大型舰船的多个惯性测量单元安装位置相距较远且中间隔有多个舱室光路无法通行，因此无法直接通过光学方法进行动态标定。针对这一问题本文提出了一种基于过渡点的局部基准标定方法，对距离较远的局部基准进行标定，试验结果证明：过渡点法可以在不破坏船体结构的基础上，有效地标定大型舰船中不同位置处局部基准之间的对准偏差。

2 常用的标定仪器和标定方法

2.1 激光跟踪仪

激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。图1为美国API公司的T3型激光跟踪仪。

图1 T3激光跟踪仪

激光跟踪仪工作的基本原理是在待测目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。如图2所示，图中XYZ为以激光跟踪仪为圆心的直角坐标系，P点为激光跟踪仪的靶球，L为激光跟踪仪测得的靶球到跟踪仪之间的距离，α和β分别为跟踪仪上编码器测得的目标与Z轴以及X轴的夹角，则目标点在三个轴的分量分别为

其中x，y，z就是目标点P在激光跟踪仪坐标系中的坐标。

为了测量局部基准的基准轴方向，在惯性测量单元上加装垂直于坐标轴的基准镜，同时结合靶球进行直射和反射两次测量可以测得镜面的法线方向，如图3所示。图中1、2分别为利用激光跟踪仪对同一个靶球的直射测量光路和通过镜面的反射测量光路。由几何光学原理可知，2所示的测量方式等效于测量靶球通过镜面所成像的坐标，靶球和靶球像之间的连线就是镜面的法线。在同一坐标系中建立不同基准镜面的法线方程可以直接计算它们之间的夹角。

图2 激光跟踪仪工作原理示意图

图3 激光跟踪仪标定镜面示意图

2.2 电子经纬仪

图4 电子经纬仪

经纬仪是一种常规的测量仪器，广泛应用于军事、建设等诸多行业，而电子经纬仪是集光、机、电、计算为一体的自动化、高精度的光学仪器。其在光学经纬仪的电子化、智能化基础上，采用了电子细分、控制处理技术和滤波技术，实现测量读数的智能化。电子经纬仪既可单独作为测角仪器完成导线测量等测量工作，又可与激光测距仪、电子手簿等组合成全站仪，与陀螺仪、卫星定位仪、激光测距机等组成炮兵测地系统，实现边角连测、定位、定向等各种测量。

图5 电子经纬仪工作原理

电子经纬仪在局部基准的标校过程中主要起到角度测量的作用。如图5所示，首先将电子经纬仪的瞄准光轴与参考光轴对齐，并记录方位和俯仰角度；然后调整方位俯仰轴，让光轴与待测的基准轴系对齐，并读取方位俯仰的角度；最后两者的差值便是待测轴和参考轴之间的角度。

3 基于过渡点的标定方法

前面分析了目前比较常用的局部基准标定方法。但是在大型舰船中往往存在多个惯性测量单元，这些测量单元大多距离较远且中间间隔多个舱室，采用逐个打孔的方法会破环船舱的布局，代价过大不宜使用。因此，上述方法都无法在不破坏舰体结构的前提下，对大型舰船中距离较远的局部基准进行动态标定。

图6 过渡点标定原理示意图

针对这一问题，本文提出了一种基于过渡点的局部基准动态标定方法，如图6所示。图中M1为舰船前部的惯性测量单元的基准镜，M2为在前基准镜之上的甲板上设立的参考镜，M3为舰船后部的惯性测量单元的基准镜，M4为甲板上设立的后基准镜的参考镜。

首先利用电子经纬仪的测角功能将甲板上方的两个参考镜调至平行。然后在基准镜和参考镜之间设立过渡靶球T1和T2，并在甲板上打出通光孔。分别在P1、P2、P3和P4四个位置利用激光跟踪仪建立坐标系，并分别利用靶球Q1、Q2、Q3、Q4测量M1、M2、M3、M4的法线方向以及T1、T2的坐标。然后利用T1、T2以及坐标变换方程将基准镜面的法线变到与之对应的上层坐标系中。最后在上层坐标系中直接比较基准镜面的法线和参考法线之间的夹角，两个夹角的差值便是待测的两个局部基准之间的角度值。

4 试验验证和数据分析

根据第3节分析的基于过渡点的局部基准动态标定方法，对某大型舰船的前后两个局部基准进行标定。试验原理如图6所示，试验所用的激光跟踪仪和电子经纬仪如图1和图4所示。

分别测试两组基准镜法线的原始坐标，变换之后的坐标以及在变换之后的甲板坐标系中参考镜的法线坐标，如表1、表2所示。其中法线采用直射点和反射点的点坐标表示，根据图3可知直射点坐标减去反射点坐标，就是基准镜面的法线向量。由法线向量可以直接计算两者之间的夹角，最后将两个夹角做差便是两个局部基准之间夹角，最终计算结果为62.4s。

5 结语

针对大型舰船的多个局部基准难以实时标校的问题，本文提出了基于过渡点的局部基准标校方法。

表1 前局部基准测试数据

表2 后局部基准测试数据

其可以在不破坏船体结构的基础上，实时测量两处甚至多处局部基准之间的相对角度。实际的测试结果表明，这种方法能够有效地动态标定大型舰船中两个相距较远的局部基准。