陳 輝王鵬飛陸林生

（1.海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室 上海200129；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海200129）

某型艦載慣導(dǎo)平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)精度控制

陳 輝1王鵬飛1陸林生2

（1.海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室 上海200129；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海200129）

艦載慣性系統(tǒng)的精度與船臺(tái)（塢）的安裝與對(duì)準(zhǔn)密切相關(guān)。傳統(tǒng)的激光經(jīng)緯儀采用慣性平臺(tái)基座零方位刻線與艦船首尾線重合的安裝標(biāo)校方法，但其精度較難滿足慣性平臺(tái)航向的對(duì)準(zhǔn)要求。文中給出一種基于電子陀螺經(jīng)緯儀、差分水準(zhǔn)儀和方位基準(zhǔn)鏡進(jìn)行慣性平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)的有效控制精度方法，并在后期的實(shí)船應(yīng)用中取得了良好效果。

艦載慣性平臺(tái)；安裝；對(duì)準(zhǔn)

引 言

艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是利用慣性器件（陀螺儀、加速度計(jì)）、角度傳感器、基準(zhǔn)方向及初始位置來確定艦艇的首向、位置和速度的自主式位置推算系統(tǒng)，其慣性導(dǎo)航設(shè)備（包括平臺(tái)羅經(jīng)、局部基準(zhǔn)等）上艦安裝與對(duì)準(zhǔn)具有極高的航向和水平精度要求，并直接影響武器系統(tǒng)命中精度。［1-2］利用傳統(tǒng)的激光經(jīng)緯儀進(jìn)行慣性平臺(tái)基座零方位刻線與艦船首尾線重合的安裝標(biāo)校方法，其精度一般控制在3′以內(nèi)，難以滿足慣性平臺(tái)航向?qū)?zhǔn)要求。艦船系泊與航行試驗(yàn)中通過采用太陽方位法、疊標(biāo)法等檢查慣性導(dǎo)航系統(tǒng)航向精度又存在檢測精度偏低問題。［3-4］尤其是艦船使用過程中出現(xiàn)的船體隨機(jī)變形的量級(jí)可達(dá)幾個(gè)角分或者十幾個(gè)角分，且變化沒有規(guī)律性，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度也具有重大影響。［5-6］

某型艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由慣性平臺(tái)、平臺(tái)減震器、系統(tǒng)電子機(jī)柜以及電源箱組成，其中慣性平臺(tái)主要由臺(tái)體、橫搖常平架、縱搖常平架等組成，在臺(tái)體上裝有單自由度液浮擺式加速度計(jì)。設(shè)備出廠時(shí)提供平臺(tái)坐標(biāo)系軸線方向基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)可使慣性平臺(tái)底座水平方向調(diào)整約為±0.5°，方位調(diào)整約為±1°。按照相關(guān)技術(shù)要求，慣性平臺(tái)上船安裝與對(duì)準(zhǔn)要求首尾線對(duì)準(zhǔn)精度控制在±30″內(nèi)，水平精度在±1′內(nèi)，并可對(duì)船體局部變形進(jìn)行檢測。本文給出一種基于電子陀螺經(jīng)緯儀、差分水準(zhǔn)儀和方位基準(zhǔn)鏡進(jìn)行慣性平臺(tái)安裝和對(duì)準(zhǔn)的精度控制方法。

1 安裝與對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求

1.1 對(duì)準(zhǔn)原理

艦載慣性平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、測量設(shè)備與艦船的方位、水平零位基座間相互一致的過程。針對(duì)慣性平臺(tái)首尾基準(zhǔn)精度對(duì)準(zhǔn)要求高的特點(diǎn)，利用電子陀螺經(jīng)緯儀作為精密定向設(shè)備，在沒有大地測量點(diǎn)的情況下可以快速測量被測目標(biāo)的方位角。由于電子陀螺經(jīng)緯儀的測量精度可達(dá)到角秒級(jí)，可用于確定主隔壁安裝的方位基準(zhǔn)鏡以及慣性平臺(tái)上內(nèi)部方位瞄準(zhǔn)棱鏡相對(duì)于真北向的精確方位角。

電子陀螺經(jīng)緯儀采用吊絲懸吊且重心下移的陀螺靈敏部來敏感地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量，在重力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)向北推進(jìn)的力矩，使陀螺儀主軸圍繞地球子午面往復(fù)擺動(dòng)，通過光電傳感器將陀螺靈敏部往復(fù)擺動(dòng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由控制器計(jì)算出與真北方向的夾角值，通過將測得的真北方位角送入電子經(jīng)緯儀，瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)，即可快速、高精度地讀出目標(biāo)方位角。圖1為該標(biāo)校設(shè)備的簡要結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 陀螺經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)原理圖

因此在慣性平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，可利用電子陀螺經(jīng)緯儀測定慣性平臺(tái)上瞄準(zhǔn)棱鏡和主隔壁上方位鏡的精確方位角，再通過差分水平儀調(diào)整慣性平臺(tái)的水平基準(zhǔn)水平度的方法，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)平臺(tái)的安裝與對(duì)準(zhǔn)，其對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 慣性平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)示意圖

對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保：

（1）首尾線基準(zhǔn)、主基準(zhǔn)面及陀螺經(jīng)緯儀應(yīng)處在船中線面內(nèi)或平行于中線面的同一平面內(nèi)；

（2）應(yīng)保證陀螺經(jīng)緯儀具有較廣視界，能看到對(duì)準(zhǔn)設(shè)備、艙室內(nèi)的艦船首尾基準(zhǔn)等。

1.2 首尾線基準(zhǔn)

按照艦船全船中心線勘劃要求，將電子陀螺經(jīng)緯儀確定在艦船中心面內(nèi)或平行于中線面的平面內(nèi)，通過調(diào)平、粗對(duì)準(zhǔn)、開機(jī)以及粗測、精測等步驟確定艦船甲板全船中心線真北方位角。精測結(jié)束后，將新測艦船中心線真北方位角通過通訊接口輸入電子經(jīng)緯儀，此時(shí)電子陀螺經(jīng)緯儀所顯示的角度，即全船中心線的方位角，將電子經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)至0°0′00″即是真北方向。

將電子陀螺經(jīng)緯儀移至慣性平臺(tái)所在艙室內(nèi)，利用全船中心線真北方位角，勘劃出艙室首尾基準(zhǔn)。由于該定向設(shè)備精度達(dá)到15″/cosφ（1σ），遠(yuǎn)高于一般經(jīng)緯儀3′的精度要求。

1.3 主水平基準(zhǔn)（檢驗(yàn)平臺(tái)）

在慣導(dǎo)艙室內(nèi)設(shè)置主水平基準(zhǔn)（檢驗(yàn)平臺(tái)），利用慣性平臺(tái)提供的水平基準(zhǔn)測定與主水平基準(zhǔn)的水平度偏差，通過調(diào)整慣性平臺(tái)減震器上的調(diào)節(jié)螺栓，確保慣性平臺(tái)安裝水平精度要求。

主水平基準(zhǔn)可采用圖3所示方式進(jìn)行水平調(diào)整。通過對(duì)主水平基準(zhǔn)面現(xiàn)場調(diào)整、刮研，用合像水平儀或光學(xué)傾斜儀等檢測設(shè)備測量水平，使主水平基準(zhǔn)任意一個(gè)方向的水平偏差應(yīng)不大于40″。

圖3 主水平基準(zhǔn)安裝示意圖

在傾斜船臺(tái)上安裝調(diào)整主水平基準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格按船首尾線方向和規(guī)定的船臺(tái)傾斜度安裝進(jìn)行測量與調(diào)整。主水平基準(zhǔn)安裝部位應(yīng)具有較好的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)。

1.4 方位基準(zhǔn)鏡

方位基準(zhǔn)鏡測量原理是從電子陀螺經(jīng)緯儀的物鏡焦點(diǎn)處發(fā)出的光束平行投射到方位基準(zhǔn)平面反射鏡上，該反射光束反射回電子陀螺經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)物鏡，在光學(xué)接收器件表面成像，如果平面反射鏡安裝存在傾斜角α，則其反射光以2α發(fā)射回來，則望遠(yuǎn)鏡物鏡觀測點(diǎn)位移L＝f×tan2α。其中f為物鏡焦距，α為反射傾角。通過精確測定像點(diǎn)L值，即可求得方位基準(zhǔn)鏡的傾斜角。

在慣導(dǎo)艙室主隔壁上設(shè)置方位基準(zhǔn)鏡，用電子陀螺經(jīng)緯儀引入慣導(dǎo)艙室艦船首尾線基準(zhǔn)，再轉(zhuǎn)引至方位基準(zhǔn)鏡，即調(diào)整像點(diǎn)L值為零，使方位基準(zhǔn)鏡法線代表艦船首尾線。通過安裝好的方位基準(zhǔn)鏡作為慣性平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)的首尾線基準(zhǔn)，確保高精度安裝要求。同時(shí)，利用方位基準(zhǔn)鏡也可對(duì)船體變形測量提供依據(jù)。

方位基準(zhǔn)鏡安裝部位結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，高度應(yīng)與慣導(dǎo)平臺(tái)自帶的水平方位鏡的高度相一致，便于光路檢測。

2 安裝與對(duì)準(zhǔn)條件

2.1 環(huán)境要求

對(duì)準(zhǔn)前慣導(dǎo)艙室附近區(qū)域的焊接，火工矯正等工作應(yīng)結(jié)束，要求船體基線撓曲度、氣溫等相對(duì)穩(wěn)定，并盡可能避免在日光曝曬下進(jìn)行，對(duì)影響對(duì)準(zhǔn)工作的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和施工應(yīng)該停止。

2.2 測試設(shè)備要求

對(duì)選定的對(duì)準(zhǔn)測試設(shè)備的精度應(yīng)滿足慣導(dǎo)平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)要求，對(duì)準(zhǔn)測試設(shè)備應(yīng)按規(guī)定校正合格并附有檢驗(yàn)證書。本文采用的主要測試設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）電子陀螺經(jīng)緯儀

定向精度 15″/cosφ（1σ）

定向時(shí)間 ≤10 min

工作溫度 -20℃～ +50℃

工作緯度 ＞0°S ～70°N

（2）CBDSP-1差分式水平儀

最小分辨率 0.001°

最大量程 ±4.5°

最大誤差 ±0.01°

工作溫度 -10℃～ +40℃

3 安裝與對(duì)準(zhǔn)方法

利用艙內(nèi)已經(jīng)勘劃好的首尾基準(zhǔn)線，通過陀螺經(jīng)緯儀測得首尾線基準(zhǔn)真北方位角進(jìn)行方位基準(zhǔn)鏡的安裝和對(duì)準(zhǔn)，方位基準(zhǔn)鏡的安裝中心高度應(yīng)與慣性平臺(tái)內(nèi)部提供的可代表其首尾方向的光學(xué)基準(zhǔn)鏡等高，通過利用電子陀螺經(jīng)緯儀照準(zhǔn)方位基準(zhǔn)鏡，測定其反射光線中“十字”光標(biāo)與物鏡中“十字”絲線的重合度，通過逐步調(diào)整從而達(dá)到高精度的光學(xué)基準(zhǔn)鏡對(duì)準(zhǔn)，使慣性平臺(tái)與艦船首尾線安裝與對(duì)準(zhǔn)優(yōu)于±30″的高精度要求。

3.1 方位基準(zhǔn)鏡安裝與調(diào)整

方位基準(zhǔn)鏡通過法蘭安裝在艙壁上，法蘭盤與方位基準(zhǔn)鏡支架連接如圖4所示。法蘭盤焊接在艙壁后，其平面與船首尾向俯仰角和方位角均應(yīng)在1°以內(nèi)。

圖4 法蘭盤外形安裝示意圖

圖5 方位基準(zhǔn)鏡安裝示意圖

方位基準(zhǔn)鏡底座上設(shè)有4個(gè)呈30°分布、寬為7 mm的腰形槽，均布在120 mm圓周上，安裝方位基準(zhǔn)鏡時(shí)可用4個(gè)M6六角螺栓與法蘭固定，其長度可根據(jù)安裝基座的厚度而定（基準(zhǔn)鏡底座厚度約為26 mm）。通過自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀將引入慣導(dǎo)艙室的首尾線基準(zhǔn)轉(zhuǎn)引至方位基準(zhǔn)鏡方向，用調(diào)整螺栓將反射鏡法線對(duì)準(zhǔn)經(jīng)緯儀的“十字”絲線中，即可鎖緊螺栓，然后用硅膠封裝調(diào)整螺栓以確?；鶞?zhǔn)法線的穩(wěn)定。

3.2 慣性平臺(tái)安裝

將慣性平臺(tái)放置在基座上，依據(jù)平臺(tái)減震器底部零方位刻線初步確定艦船首尾線方向。打開慣性平臺(tái)上罩，通過自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，利用慣性平臺(tái)上提供的內(nèi)部瞄準(zhǔn)方位鏡及艙壁上已安裝調(diào)整的方位基準(zhǔn)鏡進(jìn)行艦船首尾線基準(zhǔn)精確對(duì)準(zhǔn)。

在艦船首尾線對(duì)準(zhǔn)后利用慣性平臺(tái)提供的水平基準(zhǔn)以及艙室主水平基準(zhǔn)面進(jìn)行水平調(diào)整，沿同一方向正反兩次分別將差分水平儀安放在檢測主基準(zhǔn)面和慣性平臺(tái)被測面，所測傾斜角值取均值。

在艦船首尾基準(zhǔn)線、水平基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)后，利用劃線工具，確定慣性平臺(tái)基座墊塊連接螺栓的位置，移去慣性平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場配鉆。在慣性平臺(tái)與基座固定后，應(yīng)按上述步驟復(fù)核首尾方位安裝精度和水平安裝精度。

3.3 靜態(tài)調(diào)整

慣性平臺(tái)安裝與對(duì)準(zhǔn)合格后，應(yīng)利用艦船在船臺(tái)（塢）內(nèi)對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和通電試驗(yàn)，測量出縱向、橫向零位偏差，通過修正相應(yīng)的平臺(tái)姿態(tài)角輸出傳感器電氣零位，實(shí)現(xiàn)水平及方位的靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

艦載慣性系統(tǒng)精度不僅與系統(tǒng)元器件性能以及船臺(tái)（塢）的安裝與對(duì)準(zhǔn)有關(guān)，還與艦船使用中船體結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變形量密切相關(guān)。［7］因此，在艦船船體設(shè)計(jì)中應(yīng)確保艦船在不同排水量狀態(tài)以及海況下船體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，抑制、消除船體變形對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響已顯得尤為重要。本文采用上述方法不僅可以較好完成該型艦載慣性平臺(tái)設(shè)備的安裝與對(duì)準(zhǔn)，而且可以通過光學(xué)基準(zhǔn)鏡檢測艦船使用中船體局部隨機(jī)變形對(duì)慣性導(dǎo)航設(shè)備的精度影響，在實(shí)船應(yīng)用中取得良好效果。

［1］鄭梓禎，蔡迎波.艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

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Installation and precise alignment control for a shipborne inertial Platform

CHEN Hui1WANG Peng-fei1LU Lin-sheng2
(1. Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China; 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

The accuracy of shipborne inertial system is closely related to the installation and alignment of a platform. Traditional laser theodolites use the superposition of zero line of the inertial platform base with the bow and stern lines as an installation and calibration method. However, its precision cannot satisty the alignment requirements of the course heading. This paper introduces an e ff ective method of the precision control of the installation and alignment for the inertial platform equipment based on gyro theodolite, di ff erence level-theodolite and azimuth reference mirror, which brings about a good result in the further practical application.

shipborne inertial platform; installation, alignment

U666.12

A

1001-9855（2014）04-0093-05

2014-01-09 ；

2014-02-24

陳 輝（1967-），男，工程師，研究方向：艦船裝備總體監(jiān)造。 王鵬飛（1972-），男，工程師，研究方向：艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)監(jiān)造。 陸林生（1964-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：艦船建造。