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1、股计开发丨 Design Development 小型本面船舶惯导系统 标校方法探讨 Installation and Calibration Analysis for Inertial Navigation System of Boats 王飞（广州船舶及海洋工程设计研究院广州 510250) Wang Fei (GuangZhou Marine Engineering Corporation GuangZhou 510250) 摘要：本文介绍了水面船舶安装惯导系统的重要性，及该系统标校的实施环境以和通常方法，分 析了小型水面船舶在惯导标校上的特殊性，针对此类船舶惯导系统的标校给出了两种方案
2、建议。 Abstract: This paper describes the in portance of iiertialnavigation system for boats and calibiatbn circum stances and in ethods for hertklnavigation system . Afteranazing the specfel partbukrity ofcalbiatbn fcrboats 1wo calbiatbn in ethods forboats aie proposed. 关键词：惯导系统标校小型水面船舶 Key words: Ine
3、rtial navigation system Calibration 巳 oat 1引目 惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初位置来 确定载体的方位、位置和速度的自主式推算导航系统 2。惯性 技术无论在国防高科技还是民用高科技， 无论在交通运输还是工 业生产，无论在勘察测量还是现代生活领域，都发挥着重要的作 用。随着我国国民经济的发展和国防建设的需要，对各种大型远 洋测量船舶及各类舰船的导航系统精度均提出了很高的要求，小 型水面船舶也逐渐开始配备惯性导航系统。 惯性导航系统是自主式、全天候导航系统，完全依靠载体 自身系统独立自主地进行导航，从而具有工作不受地域、气象条 件限制和外界的
4、各种干扰等突出优点 2。因此在惯导系统安装 时必需对其进行机械及电气误差的标定，以消除安装误差。 小型水面船舶与其他水面船舶之间存在差异，导致了在惯 导标校方法上的不同。首先是吨位相对较小，船体相对大型船舶 而言较易产生变形；其次，小型水面船舶在水中的状态易受环境 因素的影响而发生改变。因此，选择正确的标校方法对能否顺利 完成标校工作以及标校精度的控制是至关重要的。 2标校环境的选取 通常情况下惯导系统的标校可在载体处于不同的环境条件 下进行。按停泊的状态可分为静态标校和动态标校。 2.1静态标校 静态环境包括坞内坐墩和坞内半坐墩。表 1是对静态环境下 的标校进行对比。 2.2动态标校 动态环
5、境包括坞内静水和码头系泊。表 2是对动态环境下的 标校进行对比。 表 1静态标校环境优缺点比较表 1 48 栽船 状态 含 义 优缺点 坞内坐 毂体于坞墩上 由于坐墩系强力支獐，将发生 #性变 墩（上 (或船台上） 形 *与海上使用状态有差异 .标校梢度 船台） 坐实 最高，占用船坞，发生费用高 坞内半 坐堆 载体于坞墩上 处于漂浮和坐 *之间的临羿 状态 R发生 *小变形，与海上使用状态接 近 标校稍度高 占用船坞，发生费用 髙 .坐灌控制困 *. 栽船 状态 含 义 优缺点 载体于坞内处于 不发生变形，与海上状态基本一致，但 坞内 靜水漂浮状态，挂 受风影响有礅动 *标校精 *较高，占用
6、静水 缦控制毅船移位 船坞，发生费用较离 . 码头 栽体停靠码头，系 *体晃动 标校精度低于前述状态 #与 系泊 缆固定舰位 甩状态相吻合， 于标校实雉 .但须 严格控制标校条件 .不发生费用 . 表 2动态校环境优缺点比较表 U 2.3标校环境分析 在标校过程中需使用各种高精密的测量仪器，如发生载体 晃动将会严重地影响测量仪器的正常使用，以至无法完成标校工 作。小型船舶吨位较小，在水中易受风、海浪等环境因素影响而 发生晃动，因此必须选择不易引起晃动同时对船体变形影响尽可 能小的环境来进行标校。 通过对几种标校环境的比较，并结合船厂在船舶建造期间 的施工阶段、船厂的实际工艺水平及实际条件，我们
7、认为最佳标 校环境是坞内半坐墩，既能保证高精度，又能保证与使用环境最 接近，船体晃动小、变形小。如受船厂条件限制，无合适干坞、 无法安排坞期或无法控制半坐墩精度，则采用坞内坐墩（上船 台）的形式，通过合理控制墩木的位置和数量来做到尽量减少船 体变形。 3标校过程 通常水面船舶惯导系统的标校分为方位标校和水平标校。 方位标校就是惯导 系统在装船时，使惯导系统与船体的方 位零位一致的过程。水平标校就是使惯导系统与船体的水平零位 一致的过程。 鉴于标校过程中，水平调整和方位调整具有交连影响。故 通常情况下，先进行水平标校，由于方位标校过程中的调整会局 部破坏水平标校的结果，水平和方位标校要交叉进行多
8、次，直到 两者均符合要求为止。 3.1方位标校 水面船舶惯导系统的水平标校通常采用经纬仪互瞄法和北 向夹角法。 3.1.1经纬仪互瞄法 1) 基本原理 如图 1所示。 在陆地（码头 ） A点架设经 纬仪 T1， 在船上 B点（惯导系统 平台后方合适位置）架设经纬仪 T2。 当经纬仪 T1和 T2互瞄对准 时，经纬仪 T1测得方位角 a， 经 纬仪 T2测得舷角 q， 根据 a、 q值 计算出船的外测航向 H c。 Hc= (a_180) +q 图 1经纬仪互瞄法 在同步测量 a、 q值的同时，同步测量（读取 ） 惯导系统平 台的航向角 HP， 由 HP、 HC值则可计算出惯导系统平台的方位 误
9、差值 AHP。 AHP = HP-HC= HP- (a- 180 ) +q 在此基础上进行惯导系统平 台方位零位的粗调和精调，以满 足标校精度的要求。 2) 真北 N零值的确定 在图 2中，方位角 a值的确 定，首先要确定经纬仪 T1的真北 零值，在实际使用中精确的确定 真北零值。 在 A点，利用经纬仪 T对北 极星进行精确测量，确定经纬 图 2具北 N;值的确记 仪 T的真北零值，然后对几个远距离固定目标，如山头上的三角 架，烟囱，塔尖等，如图 2C、 D点，确定 C点的方位角 al值 、 D 点的方位角 a2值 3，在实际使用时，就可以避免每次采用星体 找经纬仪的真北 N零值，只要直接用经
10、纬仪 T瞄准 C (或 D)点。 使经纬仪的方位读数为 al域 a2)值，并用 D (或 C)点的 a2 (或 al)值来校对 al (或a2)值是否正确，避免在使用时出现较大 的误差。 在试验区域内，都设置一个圆形金属标志，其中心点的经 度和纬度值是非常精确的。中心点也是用来架设经纬仪三角架的 对中点。 3) 测量误差分析 根据方位误差 A HP公式 AHP = HP-HC= HP- (a-180) +q 可以看出，经纬仪互瞄法的测量精度主要和 HP、 a、 q录取 值有关。 A H P的测量误差 A H通常可用下式表示： AH = AHpt+ A aif A at+ Aqif Aqa +
11、Aqt 式中 . AH p坏同步录取惯导系统平台航向角误差，其误差大小与 不同步录取时间误差、小船航向变化速率大小有关； A ai经纬仪仪器误差，一般为角秒级； Aat不同步录取方位角误差，由于在码头舰船位置变化 小，一般误差为角秒级； A qi经纬仪仪器误差，一般为角秒级； Aqt不同步录取舷角误差，其误差大小与不同步录取时间 误差，小船航向变化率大小有关； A q a舷角测量时由于小船未完全调平带来的经纬仪测角误 在实际测量中由于采用静态环境下标校的方法，其中 AHpt、Aat、 Aqt可以忽略不计，通过认真操作，读取多组 数据，求取各次测量的平均值作为最终结果数据，各误差源数值 一般如下
12、： Aai0.1 角分 AqiSO.l 角分 Aq a彡 0.3角分 AH彡 0.5角分。 因此我们认为，在静水环境下使用该方法进行惯导系统方 位标校，最终可达到 30的标校精度。 3.1.2北向夹角法 1)基本原理 如图 3所示。 船在坞中半坐墩或全作墩，在 船上合适位置 A点架设陀螺经纬仪 精确的确定真北零值 N1， 同步测 量船的航向角 H1， 由于船处于静 水环境，因此 H1是一个常值。在 惯导系统附近合适位置 B点再次架 设陀螺经纬仪精确的确定真北零值 N2， 同步测量惯导系统平台的航 向角 H2。 由 Hl、 H 2值则可计算出惯导 系统平台的方位误差值 AHp。 图 3北向夹角法
13、 股计开发丨 Design Development AHp = H 1-H2 在此基础上进行惯导系统平台方位零位的粗调和精调，以 满足标校精度的要求。 2)测量误差分析 采用北向夹角法的测量精度 AH p与 Hl、 H 2、真北零值 N的 录取值有关。 求取 AHp的测量误差 AH， 可用下式表示： AH= AHlt+ AH2t+ ANi 式中： AH It不同步录取船航向误差； AH2t不同步录取惯导系统平台航向误差； ANi陀螺经纬仪仪器误差。 在实际测量中由于采用静态环境下标校的方法，其中 AHlt、AH2t在排除人为主观因素影响下，基本上可以忽略不 计，主要误差来自于测量仪器自身的仪器
14、误差。通过认真操作， 分别在 A、 B点采用多次陀螺寻北，去除其中误差相差较大的各 一次数据，将其余各次数据进行算术平均，作为各自的最终真北 零值的办法来尽量消除仪器误差带来的影响。 各误差源数值一般如下： AH K0.05角分 AH K0.05角分 ANi0.3 角分 AH彡 0.4角分。 基于以上分析和实际测量误差统计，在静水环境下使用该 方法进行惯导系统方位标校，最终可达到 24的标校精度。 3.2水平标校 3.2.1水平标校的原理 水平标校的原理是在当地水平面内，用水平测量仪器同步 或差分测量基准平台与惯导系统的水平基准面的水平度，看其是 否一致，一般要通过必要的调整，使其满足惯导系统
15、的精度要 求。 3.2.2水平标校的仪器 通常水面船舶的水平标校采用较多的水平测量仪器主要是 电子差分水平仪、电子水平仪、合像水平仪或倾斜仪。标校前， 上述仪器要通过检测、计量，使其处于正常工作状态。 为满足小船相对特殊的条件，建议采用电子差分水平仪。 3.2.3水平标校的误差分析 小船惯导系统的水平标校，主要误差源有两个方面： 1) 电子水平仪传感器放置位置方位不准确带来的误差。由 于操作人员的熟练程度和视觉不同，有可能会将传感器与基准平 台首尾线和正横基准线放置不准。 2) 电子水平仪自身的测角误差，如精度误差为 1 A或 10等。 因此水平标校应尽量选用精度高的测量仪器，同时每次操 作时
16、，操作人员务必认真对准，避免由于测量方位上的偏差带来 的附加误差，并且通过多次测量以求取平均值来作为标校结果， 水平标校精度一般可控制在 5量级 1。 4综合标校方案 通过对以上各种方位、水平标校方法的介绍，以及环境的 分析，结合不同船厂的建造条件和建造工艺，建议采用两种方 案，用于小船惯导标校比较合理。 4.1船台标校法 4.1.1标校时机 如船厂无合适船坞或无法安排坞期，则惯导系统的安装、 标校应选取在小船船台建造施工后期，在下水之前进行。 4.1.2标校条件 为减少变形，标校前惯导舱室附近其他大重量系统均安装 到位，主要电缆敷设到位，附近区域需动火的工作均提前完成， 且标校完成后附近不可
17、动火。 4.1.3标校方案 采用陀螺经纬仪北向夹角法（方位标校 ） +电子水平仪测量 法（水平标校）综合进行。 4.2坞内半坐墩标校法 4.2.1标校时机 如船厂有合适船坞或可以安排坞期，则惯导系统的安装、 标校应选取在小船下水后，在适当时间进坞，进行半坐墩标校。 4.2.2标校条件 其他系统及电缆等安装敷设到位，附近区域需动火的工作 均提前完成，且标校完成后附近不可动火。 4.2.3标校方案 采用陀螺经纬仪北向夹角法（方位标校 ） +电 子差分水平仪 测量法（水平标校）进行综合标校。 4.3两种标校方案的对比 两种方案的主要差异在于标校环境的不同，其中船台标校 为完全固定的形式，标校的精度可
18、以达到最高，但船舶此时尚未 下水，在下水过程中可能会引起船体变形，进而影响到惯导设备 的工作精度。而坞内半坐墩标校法中船体的状态最接近实际工作 状态，标校后的精度不易发生变化，但陀螺经纬仪的工作精度会 由于船体的轻微晃动而发生影响。综合以上考虑，在船厂具备条 件时应尽量采用坞内半坐墩标校法，同时尽量保证船体在坞中的 稳定状态，此种方式下的惯导设备标校精度 为最佳。 5 结 束 语 由于小船相对于其它水面舰船有一定的特殊性，因此其惯 导标校如果直接采用现成方法将会存在一些问题。本文对通常采 用的惯导标校环境、方法进行了介绍和误差分析。对小船惯导标 校的特殊性，进行了针对性分析。最后给出两种综合标校方案的 建议，对于实际的小船惯导系统标校工作具有一定的参考意义。 参考文献 1 郑梓祯等 .船用惯性导航系统海上试验 M.北京：国防工业出版 社， 2006 2 曲忠志等 .惯性导航系统 M.北京：国防工业出版社， 1983 3 赵贤森 .测量器具使用与检定：经纬仪 M北京：中国计量出版 社， 2002 作者简介：王飞 （ 1974-)男，工程师。 收稿日期： 2008年 10月 24日 50 EEEB