中国指挥与控制学会会刊 
为了保障大型船舶中电子设备、导航设备等各种精密装备的有效使用,研究人员需要将此类装备安装在专用设备基座上,这些基座是大型船舶建造过程中难度最大、也是最重要的项目之一[1-5]。从设计角度,设备姿态坐标系需协调一致,即机械零位要满足设计误差要求[4]。机械零位包含水平度指标,其是船舶设备基座在安装、调试、校验和维修过程中关键工艺参数之一。
很多学者针对船舶设备基座水平度测量进行了研究。对于单个设备基座水平度,白风宇[5]等人建立了圆形基座面和水平面的几何结构模型,通过几何关系推导出圆形基座面上每个点的水平度值,并推导出了最大水平度方向。丁德勇[2]等人利用物理和数学模型推导出火炮基座的水平度计算公式,可计算 360°范围内水平误差分布情况。金永明[3]等人提出了电子装备基座水平误差的修正方法,并在某船厂电子装备基座加工中得到了应用。张君[6]利用倾角传感器,实现船体基座水平度和平面度测量。
在系泊状态下,由于船体不在船坞内且处于漂浮状态,通常采用差分方式测量设备基座水平度。葛亚明[1]等人开发了系泊状态下基于无线通信方式的船舶基座水平度自动测量系统;在此基础上,葛亚明[7]等人又设计了安装基准测试系统和测量软件。秦海军[4]等人分析了水平度误差对单机设备俯角误差的影响,给出了校准机械结构方案、补偿公式和校准参数计算方案。刘吉富[8-9]等人利用重力传感器开发了平台倾度测量设备,并探讨了横摇对测量精度的影响。李政阳[10]针对海态水平度测量要求,实现了海态运动变化和远距离测量功能。在差分测量技术中,测量系统时钟需要保持同步,根据采样率和采样精度要求,通常需要保持在百毫秒级。刘爱东[11-12]等人利用精确时钟同步协议1588设计了相对水平度无线差分测量系统的对时方案,并基于ACoreOS操作系统设计了相对水平度差分测量系统的应用软件。
本文提出舰船舱内多个基座水平度同时测量的无线差分测量方案,实现系泊状态/浮态下舰船基座水平度的测量,消除传感器引入的测量误差,并从水平度测量中解析出船体横摇角度。
1 舰船多基座水平度差分测量技术
1.1 基座模型和坐标系
在系泊状态下,由于无法确定船体静态零位,基座倾角的测量基准以基准平面1为参考点。因为舰船采用分段建造,所以在舱段内会建立辅助基准,即基准平面2。因此,对于倾角传感器2的输出值包含:
$ V a l_{sr}=\alpha+\beta+\gamma+\delta$
式中,Valsr为倾角传感器的输出值;α为基准平面1与水平面之间的夹角;β为基准平面2与基准平面1之间的夹角;γ为基准平面与基准平面2之间的夹角;δ为传感器测量平面与基座平面之间的夹角，见图2。
若存在船体运动及变形等,则传感器输出值为
$ V a l_{s r}=\alpha+\beta+\gamma+\delta+V a l_{\text {roll }}+V a l_{\text {pitch }}+V a l_{\text {distortion }}$
式中,Valroll为船体横向摆动(船体沿纵向转动)引起扰动值;Valpitch为船体纵向摆动(船体沿横向轴转动)引起的扰动值;Valdistortion为船体变形引起的扰动值。本文主要聚焦在船体横向摆动扰动和船体形变扰动,因此假设船体纵向扰动为0。
1.2 基座倾角高精度测量
当传感器测量平面和基座平面不平行时,就会存在δ角度误差,如图3所示。因此,在基座中心两侧采用对称分布测量点1和测量点2,距离中心距离都为R,则:
$ V a l_{s r 1}=-\varepsilon+\delta$
$ V a l_{s r 2}=\varepsilon+\delta$
式中,ε=α+β+γ为基座相对于水平面的倾角值;δ为传感器平面与基准平面之间夹角,也就是由传感器引入的扰动值;Valsr1为传感器1的输出值;Valsr2为传感器2的输出值。由于基座尺寸相对船体很小,因此船体形变引起的扰动对于基座上两个传感器是相同的,所以并未写入到公式中。联立公式(3)和(4)可得:
$ \varepsilon=\left(\operatorname{Val}_{s r 2}-\operatorname{Val}_{s r 1}\right) / 2$
$ \delta=\left(\text { Val }_{sr 2}+\text { Val }_{sr1}\right) / 2$
由此可见,通过布置对称倾角传感器,可以消除传感器测量平面和基座平面不平行引入的测量误差,由此可以提高测量精度。王娟[14]等人针对雷达转台水平度测量过程中离心力对重力加速度分量的干扰问题,采用了类似的双传感器对称分布解决方案,消除了转台旋转离心力的干扰。
利用上述方法,可以测量出基准平面1倾角值αref1、基准平面2倾角值αref2、基座1倾角值εmt1和基座2倾角值εmt2;因此,利用差分测量原理,就可得到设备基座1相对于基准平面1的水平度值:
$ \ { level }_{m t 1}=\varepsilon_{m t 1}-\alpha_{r e f 1}$
$ \ { level }_{m t 2}=\varepsilon_{m t 2}-\alpha_{r e f 1}$
$ \beta=\alpha_{r e f 2}-\alpha_{r e f 1}$
式中,levelmt1为基座1相对于基准平面1的水平度差值,levelmt2为基座2相对于基准平面1的水平度差值。
1.3 船体横摇角测量
根据公式(6),基座1和2的倾角值为:
$ \left(V a l_{s r 2}-V a l_{s r 1}\right) / 2=-\theta+\alpha+\beta+\gamma_{m t 1}+V a l_{\text {distortion }}$
$\left(V a l_{s r 4}-V a l_{s r 3}\right) / 2=\theta+\alpha+\beta+\gamma_{m t 2}+V a l_{\text {distortion }}$
式中,γmt1为基座1相对于基准平面2的夹角;γmt2为基座1相对于基准平面2的夹角;Valsr3和Valsr4测量基座2的2个传感输出值。
利用公式(11)减去公式(12),可得:
$ \theta=\left(V a l_{s r 2}+V a l_{s r 4}-V a l_{s r 3}-V a l_{s r 1}\right) / 4+\left(\gamma_{m t 2}-\gamma_{m t 1}\right) / 2$
假设基座1和基座2都已经调整,并与基准平面2平行,则γmt2=γmt1=0,因此
$ \theta=\left(V a l_{s r 2}+V a l_{s r 4}-V a l_{s r 3}-V a l_{s r 1}\right) / 4$
由此,可以计算得到船体横摇的角度。
2 舰船多基座水平度差分测量软件
2.1 基座倾角数据采集与传输
舰船多基座水平度差分测量流程如图6所示,测量主机通过无线传输方式接收舰船主基准、设备基准的倾角数据和水平度数据;利用时间匹配原则,计算得到所有设备基准的水平度数据。
2.2 系统时间同步任务
由于舰船壳体采用封闭结构,会屏蔽北斗等无线信号,无法保证采集设备时钟的同步。传统解决方案是将采集设备从船舱内取出,在甲板或陆地上进行北斗或GPS授时,然后再安装回船舱继续采集数据;在授时期间,水平度测量工作处于停止状态。
铯原子钟采用便携式设计,根据北斗卫星信号,将铯原子振荡器输出频率驯服并同步于北斗卫星的铯原子钟信号上。然后,将便携式铯原子钟移动到舱内,对舱内基座水平度测量设备进行授时,从而保证舱内所有测量设备的时钟同步。
舱内基座水平度测量设备授时流程如下:测量设备晶振时钟首先发出同步申请,开启时钟同步线程,打开允许修改时钟指令,等待原子钟的授时;时钟同步完成后,测量设备再设置禁止指令和关闭同步线程,具体流程如图8所示。
3 实验与数据验证
4 结束语
本文设计了系泊状态下舰船基座水平度差分无线测量技术,通过传感器对称结构消除了基座传感器摆放位置引起的测量误差,基于同舱段内的两个基座倾角值解析了舰船横摇角度,并开发多基座水平度差分测量系统的硬件设备和配套软件。根据实验数据分析,多基座水平度差分测量技术可以实现基座水平度的高精度测量,利用均值滤波器就可以有效消除数据中的测量噪声。此套装备已经在某船厂的实际环境下测试验证,使用效果良好,具有一定的应用价值。