徐 凱，賈立民，張 群，張 波，李 莉，楊盛林，張世先

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 丹青科技公司，北京 100028）

基于光學(xué)基準(zhǔn)法提高傾斜船臺(tái)上慣性平臺(tái)水平測(cè)量精度

徐 凱1，賈立民1，張 群1，張 波1，李 莉2，楊盛林1，張世先1

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 丹青科技公司，北京 100028）

慣性平臺(tái)安裝在艦船的過(guò)程中需要將慣性平臺(tái)坐標(biāo)系與艦船坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，也就是對(duì)慣性平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)校。當(dāng)艦船在傾斜船臺(tái)上進(jìn)行建造時(shí)，由船臺(tái)的傾斜角度造成水平測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差對(duì)標(biāo)校的結(jié)果有很大影響，尤其是在測(cè)量艦船橫搖角時(shí)，會(huì)由于測(cè)量?jī)x器的擺放帶來(lái)誤差。為了提高傾斜船臺(tái)上慣性平臺(tái)的水平測(cè)量精度，在電子水平儀上設(shè)置光學(xué)基準(zhǔn)，并通過(guò)高精度自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀（TM5100A）對(duì)放置在基準(zhǔn)平板及慣性平臺(tái)上的電子水平儀進(jìn)行方位對(duì)齊，保證其測(cè)量方位的一致性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：電子水平儀方位的對(duì)齊誤差為 2″，電子水平儀測(cè)量誤差小于 0.1″（計(jì)算值），從而提高了慣性平臺(tái)水平測(cè)量精度。

傾斜船臺(tái)；水平測(cè)量誤差；方位對(duì)齊；慣性平臺(tái)

本刊于2013年第6期曾發(fā)表《傾斜船臺(tái)對(duì)慣性平臺(tái)水平測(cè)量的影響》，文中對(duì)由于測(cè)量?jī)x器的擺放帶來(lái)的誤差進(jìn)行了分析歸納。本文將對(duì)此種誤差提出對(duì)應(yīng)的解決方法，從而提高慣性平臺(tái)水平測(cè)量精度。

1 傾斜船臺(tái)對(duì)慣性平臺(tái)水平測(cè)量的影響

1.1 傾斜船臺(tái)及其引起水平測(cè)量誤差的原因

傾斜船臺(tái)也稱(chēng)縱向傾斜船臺(tái)，是目前廣泛采取的船臺(tái)型式。船臺(tái)的表面與水平成一傾角，成為船臺(tái)坡度，這個(gè)坡度常用傾角的正切值即tanα表示，一般在1/18（約3.2°）～1/25（約2.29°）之間。船廠最多采用的坡度是1/20（約2.86°），這個(gè)坡度方便于船臺(tái)定位中的測(cè)量和計(jì)算。船舶建成后，在滑道上依靠自身的質(zhì)量即可滑行下水。適合于重力下水是縱向傾斜船臺(tái)的最大優(yōu)點(diǎn)。

在傾斜船臺(tái)上，慣性平臺(tái)的水平測(cè)量會(huì)由于傾斜船臺(tái)的傾斜角度產(chǎn)生測(cè)量誤差。測(cè)量誤差主要是由于水平測(cè)試儀器在測(cè)量載體水平基準(zhǔn)與設(shè)備水平基準(zhǔn)面時(shí)，測(cè)試儀器在擺放方位上的偏差引起的，即兩次測(cè)量不能?chē)?yán)格的保證平行。

圖1 傾斜船臺(tái)Fig.1 Inclined ship-building berth

1.2 對(duì)慣性平臺(tái)水平測(cè)量的影響

1.2.1 同一測(cè)量面的重復(fù)放置測(cè)量誤差

對(duì)同一測(cè)量面進(jìn)行水平測(cè)量時(shí)，重復(fù)測(cè)量會(huì)出現(xiàn)的誤差如圖2，如邊長(zhǎng)100 mm的水平儀產(chǎn)生0.1°的測(cè)量方位誤差角，一端產(chǎn)生0.17 mm位移。在沒(méi)有精確定位基準(zhǔn)的情況下，采取靠目視瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)平臺(tái)的刻線或與設(shè)備水平基準(zhǔn)面的邊緣對(duì)齊進(jìn)行放置水平儀時(shí)將很容易產(chǎn)生這樣的誤差。當(dāng)在船臺(tái)縱搖角為3°，艦船橫搖角為5′的狀態(tài)下，產(chǎn)生0.1°的測(cè)量方位誤差角時(shí)，測(cè)量橫搖角將引起18.8″的測(cè)量誤差，這對(duì)于高精度的水平測(cè)量將無(wú)法允許。

圖2 測(cè)量誤差Fig.2 Measurement errors

1.2.2 不同測(cè)量面的放置測(cè)量誤差

對(duì)不同測(cè)量面（如慣性平臺(tái)和水平基準(zhǔn)之間）進(jìn)行水平測(cè)量時(shí)，基本是靠目視瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)平臺(tái)刻線或與零件的邊緣對(duì)齊來(lái)放置水平儀。但是，當(dāng)測(cè)量基準(zhǔn)平臺(tái)與測(cè)量設(shè)備無(wú)法在方位上保持一致時(shí)，在 3°的傾斜船臺(tái)上測(cè)量艦船橫搖角時(shí)，將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。如果邊長(zhǎng)100 mm的水平儀在不同測(cè)量面時(shí)產(chǎn)生的0.87 mm放置誤差，即產(chǎn)生0.5°的測(cè)量方位誤差角，在測(cè)量橫搖角時(shí)就會(huì)產(chǎn)生 94.2″的測(cè)量誤差。所以，在 3°的傾斜船臺(tái)上，同一設(shè)備的基準(zhǔn)面測(cè)量時(shí)，由于重復(fù)放置的位置誤差將引起較大的測(cè)量誤差；另外，在慣性平臺(tái)水平基準(zhǔn)與載體主基準(zhǔn)之間進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量方位角無(wú)法保持一致將產(chǎn)生無(wú)法估算的測(cè)量誤差。

表1給出了各種水平姿態(tài)下水平測(cè)量誤差。

表1 水平測(cè)量誤差對(duì)比Tab.1 Contrast on level measurement errors

2 提高傾斜船臺(tái)上水平測(cè)量精度的方法

2.1 機(jī)械方法

機(jī)械方法就是在各個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)上設(shè)置機(jī)械定位基準(zhǔn)(定位銷(xiāo)或定位面)，且各定位基準(zhǔn)之間要先調(diào)整至平行。但是，此種方法會(huì)改變現(xiàn)有基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，且在水平調(diào)整的時(shí)候，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)各基準(zhǔn)之間的平行，操作復(fù)雜。因此，采用這種方法需在總體設(shè)計(jì)階段提出設(shè)置機(jī)械定位基準(zhǔn)的要求，不建議在定型設(shè)備上使用。

2.2 光學(xué)方法

光學(xué)方法就是在電子水平儀上設(shè)置光學(xué)基準(zhǔn)，使其光學(xué)基準(zhǔn)與電子水平儀的水平測(cè)量軸線平行，并保持固定。通過(guò)架設(shè)多臺(tái)自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀可以實(shí)現(xiàn)電子水平儀在不同水平基準(zhǔn)上水平測(cè)量軸線的平行。

2.2.1 帶光學(xué)基準(zhǔn)的電子水平儀

帶光學(xué)基準(zhǔn)的電子水平儀如圖3所示。

光學(xué)六面體與支架的基準(zhǔn)邊1靠緊，并通過(guò)膠粘的方式固定在支架上，支架放置在電子水平儀上，通過(guò)緊頂螺釘使支架的基準(zhǔn)邊2與電子水平儀基座靠緊。

由于支架上的基準(zhǔn)邊1與基準(zhǔn)邊2通過(guò)加工保證其平行，且電子水平儀的傳感器固定于基座上并平行。因此，光學(xué)六面體上用于觀測(cè)的四個(gè)反射面與電子水平儀的傳感器的測(cè)量方位平行或垂直。

圖3 帶光學(xué)基準(zhǔn)的電子水平儀Fig.3 Electronic level with optical benchmark

由于不同水平基準(zhǔn)之間的水平測(cè)量是相對(duì)測(cè)量，即調(diào)整慣性平臺(tái)的水平基準(zhǔn)與載體水平基準(zhǔn)對(duì)齊，因此，只要光學(xué)六面體的方位法線與電子水平儀的傳感器的測(cè)量方位固定并保持平行或垂直即可。

2.2.2 實(shí)施過(guò)程

實(shí)施過(guò)程如圖4所示。

圖4 實(shí)施過(guò)程Fig.4 Measurement process

實(shí)施過(guò)程如下：

a） 將帶光學(xué)基準(zhǔn)的電子水平儀放置在基準(zhǔn)平板上與基準(zhǔn)平板的艏艉經(jīng)緯線對(duì)齊（以便再次放置時(shí)經(jīng)緯儀進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)），記下基準(zhǔn)平板的縱傾角讀數(shù)；

b） 架設(shè)經(jīng)緯儀1并照準(zhǔn)光學(xué)六面體，并記下初始方位讀數(shù)；

c） 在慣性平臺(tái)附近架設(shè)經(jīng)緯儀 2，使兩臺(tái)經(jīng)緯儀互瞄，并將經(jīng)緯儀2的光軸旋轉(zhuǎn)至與經(jīng)緯儀1的初始方位平行；

d） 在慣性平臺(tái)水平基準(zhǔn)上放置帶光學(xué)基準(zhǔn)的電子水平儀，調(diào)整電子水平儀方位，被經(jīng)緯儀2照準(zhǔn)；

e） 調(diào)整慣性平臺(tái)水平姿態(tài)使其與基準(zhǔn)平板對(duì)齊；

f） 橫傾角的調(diào)整同縱傾角；

g） 復(fù)測(cè)縱傾角，直至縱傾角與橫傾角均滿足要求。

2.2.3 誤差分析

水平測(cè)量誤差的主要原因是電子水平儀測(cè)量方位角無(wú)法保持一致。本方法通過(guò)高精度自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀（TM5100A）進(jìn)行電子水平儀測(cè)量方位的對(duì)齊，從而保證了水平測(cè)量精度。

電子水平儀測(cè)量方位的對(duì)齊誤差由以下幾方面組成：

u1：經(jīng)緯儀1照準(zhǔn)放置在基準(zhǔn)平板的電子水平儀上的光學(xué)基準(zhǔn)的照準(zhǔn)誤差，為1″；

u2：經(jīng)緯儀1與經(jīng)緯儀2互瞄的照準(zhǔn)誤差，為1″；

u3：經(jīng)緯儀2與經(jīng)緯儀1互瞄的照準(zhǔn)誤差，為1″；

u4：經(jīng)緯儀2照準(zhǔn)放置在慣性平臺(tái)水平基準(zhǔn)的電子水平儀上的光學(xué)基準(zhǔn)的照準(zhǔn)誤差，為1″。

電子水平儀測(cè)量方位的對(duì)齊誤差U為

根據(jù)式(1)，可得U=2″。

當(dāng)電子水平儀測(cè)量方位的對(duì)齊誤差為2″時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的公式(5)(6)計(jì)算得，電子水平儀產(chǎn)生測(cè)量誤差小于0.1″。

3 結(jié) 論

此方法的使用解決了慣性平臺(tái)無(wú)法再在傾斜船臺(tái)進(jìn)行高精度水平調(diào)整的難題，應(yīng)用光學(xué)的方法提高了水平測(cè)量精度。但是，由于操作過(guò)程較繁瑣，使用儀器較多，不建議作為常規(guī)標(biāo)校方法使用。

（References）：

[1] 徐凱, 李琳, 孫洋. 傾斜船臺(tái)對(duì)慣性平臺(tái)水平測(cè)量的影響[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 21(6): 845-848. Xu Kai, Li Lin, Sun Yang. Influence of inclined shipbuilding berth on horizontal measurement of inertial platform[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(6): 845-848.

[2] 徐凱, 馬林, 張群. 某型慣性平臺(tái)安裝標(biāo)校方法[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 16(3): 287-290. Xu Kai, Ma Lin, Zhang Qun. Calibration method of an inertial platform[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2008, 16(3): 287-290.

[3] 張磊, 李輝, 韓濤, 等. 艦船武器系統(tǒng)姿態(tài)基準(zhǔn)塢內(nèi)標(biāo)校新方法[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 21(2): 275-280. Zhang Lei, Li Hui, Han Tao, et al. New method of dock calibration for naval vessel weapon system attitude reference[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(2): 275-280.

[4] 孟士超, 劉偉, 徐凱. 慣性平臺(tái)姿態(tài)在高精度搖擺臺(tái)上的標(biāo)校方法[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 17(2): 250-252. Meng Shi-chao, Liu Wei, Xu Kai. Calibration method of inertial platform fixed on high precision turntable[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2009, 17(2): 250-252.

[5] 胡佩達(dá), 高鐘毓, 張嶸. 基于三軸搖擺臺(tái)的高精度姿態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 21(2): 271-274. Hu Pei-da, Gao Zhong-yu, Zhang Rong. High accuracy attitude testing system based on three-axis test table[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(2): 271-274.

[6] Zhang Lei, Wang An-guo. Vessel surface equipment attitude measurement based on conventional inertial reference system[J]. Advanced Material Research, 2012, 629: 878-883.

[7] Johnson G, Waid J, Primm M, et al. Ship attitude accuracy trade study for aircraft approach and landing operations[C]//IEEE Position Location and Navigation Symposium. 2012: 783-790.

[8] Gu Dong-qing, El-Sheimy N, Hassan T, et al. Coarse alignment for marine SINS using gravity in the inertial frame as a reference[C]//IEEE Position, Location and Navigation Symposium. 2008: 961-965.

[9] Shockley J, Zetterstrom S. 50 years of the central inertial and GPS test facility[J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2009: 1-32.

[10] Wang An-guo, Li Hui, Wang Yan, et al. A principle of astronomical three-dimensional position fixing based on single baseline radio interferometry[J]. Chinese Journal of Electronics, 2011, 20(1): 183-186.

[11] Yu Q, Jiang G, Fu S, et al. Fold-ray videometrics method for the deformation measurement of nonintervisible large structures[J]. Applied Optics, 2009, 48(24): 4683-4687.

Improving level measurement precision of inertial platform on inclined ship-berth based on optical benchmark

XU Kai1, JIA Li-min1, ZHANG Qun1, ZHANG Bo1, LI Li2, YANG Sheng-lin1, ZHANG Shi-xian1
(1. Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China; 2. Dantsin Technology Limited Company, Beijing 100028, China)

Inertial platform coordinate system needs to be aligned with ship coordinate system during installing an inertial platform into a ship, and this can be realized by calibrating the inertial platform. When a ship is built on an inclined berth, the measurement error of leveling instrument due to the tilt angle of ship-building berth has great influence on the calibration results. In particular, the improper placement of the leveling instrument would become an error source in the measurement of ship’s roll. To solve this problem, an optical benchmark is set on the electronic level gauges, then a high-precision auto-collimation theodolite, i.e. TM5100A, is used to implement azimuth alignments for these gauges on benchmark platform and inertial platform to ensure the consistency of the azimuth measurements. Experimental results indicate that the azimuth alignment error is 2″, and the measurement error of level measurement is less than 0.1″, showing that the level measurement precision of inertial platform is improved.

inclined ship-building berth; level measurement error; azimuth alignment; inertial platform; optical benchmark

U666.1

：A

2015-09-08；

：2015-11-28

國(guó)防科技預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目（51309010101）

徐凱（1973—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向慣性平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail: xk_707@sina.com

1005-6734(2015)06-0837-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.06.024