CN108318054B - 一种船载惯导系统回装标校装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船载惯导系统回装标校装置及方法，属于船载惯导系统标校应用技术领域。回装标校装置可拆卸的安装在船载惯导系统上，船载惯导系统回装标校方法是通过回装标校装置安装到惯导系统顶部，测量回装标校装置安装到船载惯导系统上的安装偏差，然后将惯导系统连同回装标校装置整体装回到船体上，测量回装标校装置与船体的安装偏差，计算船载惯导系统安装在船体上的姿态、航向偏差，进而计算船载惯导系统姿态、航向的调整量，调整船载惯导系统安装的姿态、航向，直至船载惯导系统安装在船体上的姿态、航向偏差分别小于姿态、航向回装技术指标；方法有效地提高了标校的效率，保障了标校的精准度，延长船载惯导系统的使用寿命。

Description

一种船载惯导系统回装标校装置及方法

技术领域

本发明属于船载惯导系统标校应用技术领域，具体涉及一种船载惯导系统回装标校装置及方法。

背景技术

在船载惯导系统应用领域中，船载惯导系统的特点是连续工作时间长，导航精度要求较高。将船载惯导系统回装到船体上进行标校是一项重要的技术，为了实现船载惯导系统的坐标系与船体的坐标系一致的目的，对于船载惯导系统上没有设置方位镜的情况，无法直接测量船载惯导系统艏艉线方向，传统的方法是使用船载惯导系统开机航向输出的稳定值作为船载惯导系统艏艉线方向，通过将船载惯导系统艏艉线方向与船体艏艉线方向比较，从而确定船载惯导系统的航向安装偏差，然后关闭船载惯导系统，调整船载惯导系统航向，船载惯导系统重新开机确定航向安装偏差，重复关机调整、开机检验，直至船载惯导系统航向与船体航向一致。

这种传统的船载惯导系统回装标校技术的缺陷在于：

船载惯导系统通电开机进入导航状态直至航向输出稳定所需时间较长，且船载惯导系统逐次启动的航向稳定值并不完全一致，难以准确反映船载惯导系统艏艉线方向，从而影响船载惯导系统航向回装标校的精准度；

船载惯导系统的调节过程中需要在关机状态下进行，检验调节效果需要船载惯导系统通电开机进入导航状态直至航向输出稳定，然后测量计算船载惯导系统安装偏差。根据安装偏差再次关机调整，直至偏差小于回装标校技术指标。在关机调整、开机检验循环中，船载惯导系统调节的效率和精度依赖技术人员的经验，且这个过程船载惯导系统需要频繁开关机，对船载惯导系统的使用寿命有很大的影响。

由于船载惯导系统回装后姿态、航向输出作为全船纵、横倾、航向基准，因此对船载惯导系统回装标校的精度有严格的要求，对于船载惯导系统上没有设置反映艏艉线方向的方位镜情况，现有技术中传统的船载惯导系统回装标校技术效率低、精准度不高、依赖技术人员的相关经验、影响船载惯导系统的使用寿命，对于船载惯导系统上设置有方位镜的情况，方位镜和船载惯导系统是固定搭配使用，形式较为固定。

发明内容

为了克服现有技术应用技术领域中存在的不足，本发明提出了一种标校效率高、精准度有保障、不过分依赖技术人员的相关经验、船载惯导系统的使用寿命长、且船载惯导系统与方位镜灵活搭配的船载惯导系统回装标校装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种船载惯导系统回装标校装置，回装标校装置可拆卸的安装在船载惯导系统上，回装标校装置包括金属盖板和方位镜，所述金属盖板上开设有狭长槽的弧状安装螺孔，通过螺栓穿过安装螺孔将回装标校装置固定在船载惯导系统的顶部，回装标校装置固定在船载惯导系统上之前，螺栓可在弧状安装螺孔内转动微调方位，所述金属盖板上表面设置有平整的水平基准面，水平基准面的平整度小于0.05mm，水平基准面用于提供姿态测量基准面，所述金属盖板上的四个方位开设有用于安装方位镜的四组螺纹孔，所述方位镜通过螺钉、平垫、弹垫的形式预紧固定安装在金属盖板的任意螺纹孔内上，其余螺纹孔作为安装备用，所述方位镜的四个面的面面垂直度偏差小于5”，所述方位镜的镜面法线平行度小于1”，所述方位镜的镜面与水平基准面垂直度偏差小于10”，所述方位镜用于辅助航向测量，所述方位镜的四个观测面相互垂直的设计使得当航向面受到遮挡、无法直接观测时，总有一个面能够观测，通过垂直关系即可计算回装标校装置的航向，所述回装标校装置可灵活的拆卸，船载惯导系统回装标校时将其装上，完成标校后将其拆下，一个回装标校装置能够搭配多个同类型船载惯导系统使用。

一种船载惯导系统回装标校方法，船载导航地理坐标系采用东、北、天坐标系，坐标轴分别表示E、N、U，其中E轴在当地水平面内指向东，N轴在当地水平面内指向北，U轴沿当地地垂线指向天，载体的坐标系记为O-xyz，其中x轴指向载体右舷，y轴沿载体纵轴指向前方，z轴指向载体正上方，x轴、y轴、z轴互相垂直；

定义载体的纵摇角为载体Y轴与水平面的夹角，记为θ；

定义载体的横摇角为载体X轴与水平面的夹角，记为γ；

定义载体的航向角为载体Y轴与N轴之间的夹角，记为

以纵摇角和横摇角作为载体姿态的参考，以航向角作为载体航向的参考；

定义船载惯导系统的坐标系为b₀，纵摇角、横摇角、航向角分别记为

定义回装标校装置的坐标系为b₁，纵摇角、横摇角、航向角分别记为

定义船体的坐标系为b₂，纵摇角、横摇角、航向角分别记为

回装标校装置在船载惯导系统上有安装偏差，安装的纵摇角、横摇角、航向角偏差分别记为

测量时刻记为t，船载惯导系统在船体上有安装偏差，安装的纵摇角、横摇角、航向角偏差分别记为

包括以下步骤：

步骤S1，计算回装标校装置安装到船载惯导系统上的安装偏差；

具体的，将回装标校装置安装到船载惯导系统顶部，船载惯导系统开机，记录船载惯导系统姿态、航向输出的稳定值，使用光学仪器测量回装标校装置姿态、航向，计算回装标校装置在船载惯导系统上的安装偏差；

回装标校装置的坐标系b₁与船载惯导系统的坐标系b₀之间的安装偏差为：

由于金属盖板上开设有狭长槽的弧状安装螺孔，通过螺栓穿过安装螺孔将回装标校装置固定在船载惯导系统的顶部，因此回装标校装置在船载惯导系统顶部的安装具有一定的方位灵活度，调整至航向安装偏差小于10”，再固定安装，回装标校装置姿态、航向与船载惯导系统姿态、航向之间的偏差，在实验室内标定；

进一步地，步骤S1中，为抵消船载惯导系统逐次启动对航向输出稳定值的影响，将回装标校装置固定安装到船载惯导系统上之后，多次开机记录船载惯导系统航向的稳定输出值，取多次航向稳定输出值的均值作为船载惯导系统航向；

步骤S2：船载惯导系统连同回装标校装置整体装回到船体上，计算船载惯导系统安装在船体上的姿态、航向偏差；

具体包括如下步骤：

S201，将船载惯导系统连同回装标校装置一起装回到船体上；

S202，测量船体水平基准姿态、艏艉线方向；

S203，使用光学仪器测量回装标校装置的姿态、航向；

S204，计算船载惯导系统与船体的姿态、航向的偏差；

根据回装标校装置在船载惯导系统上的安装偏差，转化成船载惯导系统与船体的姿态、航向的偏差；

将式(1)代入式(2)得式(3)：

进一步地，步骤S203中，在船内设置陀螺经纬仪，陀螺经纬仪自寻北确定其航向，使用自准直仪测量陀螺经纬仪到回装标校装置方位镜观测面的转角，根据陀螺经纬仪的航向测量值、自准直仪测量的转角以及观测面与航向的垂直关系计算回装标校装置的航向，光学传递克服了船内空间有限，光线被遮挡无法测量的缺陷；

步骤S3：根据船载惯导系统与船体的姿态、航向偏差，反复调整船载惯导系统姿态、航向，直至姿态、航向偏差小于回装技术指标；

具体包括如下步骤：

S301，调整船载惯导系统的姿态；

计算船载惯导系统姿态的预期调整量，船载惯导系统在船体上安装的姿态偏差即为船载惯导系统姿态的预期调整量；

式中t₀为船载惯导系统初始回装时刻，由式(4)计算船载惯导系统姿态的预期调整量；

根据船载惯导系统姿态的预期调整量设置船载惯导系统姿态调节的方向和大小，改变船载惯导系统的姿态；

使用电子水平仪测量回装标校装置的姿态θ₁(t_n)、γ₁(t_n)，通过式(5)计算下一步的预期调整量；

式中t_n为回装标校装置的姿态测量时刻，其下标n为正整数；

通过重复调整船载惯导系统姿态、测量回装标校装置的姿态，直至船载惯导系统安装姿态偏差满足姿态回装技术指标，若姿态回装技术指标是1角分，则当预期调整量小于1角分时，结束船载惯导系统的姿态调整；

S302，调整船载惯导系统的航向；

计算船载惯导系统航向的调整量，船载惯导系统在船体上安装的航向偏差即为船载惯导系统航向的预期调整量；

由式(6)计算船载惯导系统航向的预期调整量；

根据船载惯导系统航向的预期调整量设置船载惯导系统航向调节的方向和大小，调整船载惯导系统的航向；

使用自准直仪转角变化值计算船载惯导系统航向实际调整量，比较实际调整量和预期调整量的偏差，制定下一步调整的方向和大小；

通过重复调整船载惯导系统航向、测量回装标校装置的航向，直至船载惯导系统在船上安装的航向偏差小于航向回装技术指标，若航向回装技术指标是1角分，则当船载惯导系统安装航向偏差小于1角分时，结束船载惯导系统的航向调整；

S4：船载惯导系统开机检验回装标校效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种船载惯导系统回装标校装置及方法，采用本发明的装置，一个回装标校装置能够灵活的搭配同类型的多个船载惯导系统使用，船载惯导系统回装标校时将其装上，完成标校后将其拆下，弥补了现有技术中方位镜与船载惯导系统的一一对应的固定搭配形式，且方位镜安装的位置可以选择，规避某个安装位置被遮挡无法观测方位镜的问题，确保方位镜能够被光学仪器观测到，形式更加灵活、方便；采用本发明的方法，可以在船载惯导系统关机状态下，在船上进行船载惯导系统回装标校，速度快、精度高，相对船载惯导系统开机回装标校的传统方法，该方法大大缩短了标校时间，由数天缩短至数小时；光学测量精度高，提高了回装标校精度；由于回装标校过程中船载惯导系统不用开机，减少了船载惯导系统频繁开关机次数，延长了船载惯导系统使用寿命；使用该方法进行船载惯导系统回装标校，每一步调整都有计算依据，降低了对技术人员经验的依赖；该方法应用于本身无测量基准的船载惯导系统在船上的回装标校，实测实验表明使用本发明的装置和方法，可以提高船载惯导系统回装标校的效率和精度。

附图说明

图1为本发明一种船载惯导系统回装标校装置的流程图；

图2为本发明一种船载惯导系统回装标校方法的立体结构示意图。

图例说明：1：船载惯导系统，2：回装标校装置，21：金属盖板，22：方位镜，23：安装螺孔，24：螺纹孔。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图2所示，通过螺钉、平垫、弹垫预紧固定在一组螺纹孔24内的形式将方位镜22安装到金属盖板21上，再将安装好方位镜22的回装标校装置2预安装到船载惯导系统1上，回装标校装置2预安装只需使用螺栓穿过安装螺孔23装到船载惯导系统1顶部，保证安装螺孔23能挪动调节回装标校装置2的方位，在计算得出回装标校装置2与船载惯导系统1的安装偏差后，回装标校装置2在船载惯导系统1顶部的安装具有一定的方位灵活度，通过挪动安装螺孔23在船载惯导系统1顶部的位置来调整回装标校装置2的航向安装偏差直至小于10”，然后上紧螺栓，使安装螺孔23不能再挪动，将回装标校装置2与船载惯导系统1固定安装，最后再将船载惯导系统1连同回装标校装置2整体安装到船体上。

实施例2

步骤1：如附图1所示，在实验室内将回装标校装置2安装到船载惯导系统1顶部，并分别测量两者的姿态和航向：

船载惯导系统1姿态、航向为：

回装标校装置2姿态、航向为：

调节回装标校装置2在船载惯导系统1顶部的方位，使得回装标校装置2的航向与船载惯导系统1的航向一致，然后，上紧螺栓，固定安装；

此时，回装标校装置2姿态、航向为：

则船载惯导系统1与回装标校装置2的安装偏差为：

步骤2：船载惯导系统1连同回装标校装置2整体装回到船体上，计算船载惯导系统1安装在船体上的初始姿态、航向偏差，对应图2中船上标校的船载惯导系统1安装误差测量；

船体姿态、航向测量值为：

回装标校装置2姿态、航向测量值为：

根据式(3)，计算船载惯导系统1与船体的安装偏差为

步骤3：调整船载惯导系统1姿态和航向；

根据预期调整量，改变船载惯导系统1姿态，测量调整后的回装标校装置2姿态，代入式(5)中计算船载惯导系统1安装在船体上的姿态偏差；

Δθ₂(t_n)＝14″，Δγ₂(t_n)＝-11″；

姿态偏差小于姿态回装技术指标，姿态调整结束；

将船载惯导系统1安装在船体上的初始航向偏差作为预期调整量，调整船载惯导系统1航向，调整结束测量自准直仪转角变化值，并计算回装标校装置2航向变化值，根据实际变化值与预期调整量的偏差，为下一步调整定向和定量，重复调整三次后，实际变化值与预期调整量基本一致，偏差小于10″；

航向偏差小于回装技术指标，航向调整结束；

步骤4：船载惯导系统1开机检验回装标校效果；

船载惯导系统1姿态、航向输出的稳定值与船体姿态、航向的测量值的偏差为：

船载惯导系统1开机航向输出稳定值与船体艏艉线方向测量值的偏差数据表明，船载惯导系统1载体坐标系与船体坐标系实现了对齐一致，回装标校的目的实现；

实现的技术指标：姿态、航向精度满足回装标技术指标(姿态、航向安装偏差小于均小于1角分)。

相对于船载惯导系统1通电开机回装标校的传统方法，本发明的船载惯导系统1回装标校装置2和方法大幅提高了回装标校的效率，缩短了在船体上回装标校的时间，减少了回装过程中船载惯导系统1反复开机的次数，保护了船载惯导系统1的器件，延长了其使用寿命。

Claims (7)

1.一种船载惯导系统回装标校装置，其特征在于，回装标校装置可拆卸的安装在船载惯导系统上，回装标校装置包括金属盖板和方位镜，所述金属盖板上开设有狭长槽的安装螺孔，通过螺栓穿过安装螺孔将回装标校装置固定在船载惯导系统的顶部，所述金属盖板上表面设置有平整的水平基准面，水平基准面的平整度小于0.05mm，水平基准面用于提供姿态测量基准面，所述金属盖板上开设有多组用于安装方位镜的螺纹孔，所述方位镜通过螺钉、平垫、弹垫的形式预紧固定安装在金属盖板的任意螺纹孔内上，所述方位镜的四个面的面面垂直度偏差小于5”，所述方位镜的镜面法线平行度小于1”，所述方位镜的镜面与水平基准面垂直度偏差小于10”，所述方位镜用于辅助航向测量。

2.一种船载惯导系统回装标校方法，船载导航地理坐标系采用东、北、天坐标系，坐标轴分别表示E、N、U，其中E轴在当地水平面内指向东，N轴在当地水平面内指向北，U轴沿当地地垂线指向天，载体的坐标系记为O-XYZ，其中X轴指向载体右舷，Y轴沿载体纵轴指向前方，Z轴指向载体正上方，X轴、Y轴、Z轴互相垂直；

定义载体的纵摇角为载体Y轴与水平面的夹角，记为θ；

定义载体的横摇角为载体X轴与水平面的夹角，记为γ；

定义载体的航向角为载体Y轴与N轴之间的夹角，记为

定义船载惯导系统的坐标系为b₀，纵摇角、横摇角、航向角分别记为θ₀，γ₀，

定义回装标校装置的坐标系为b₁，纵摇角、横摇角、航向角分别记为θ₁，γ₁，

定义船体的坐标系为b₂，纵摇角、横摇角、航向角分别记为θ₂，γ₂，

回装标校装置在船载惯导系统上有安装偏差，安装的纵摇角、横摇角、航向角偏差分别记为Δθ，Δγ，

测量时刻记为t，船载惯导系统在船体上有安装偏差，安装的纵摇角、横摇角、航向角分别记为Δθ₂(t)，Δγ₂(t)，

其特征在于包括以下步骤：

S1：计算回装标校装置安装到船载惯导系统上的安装偏差；

S2：船载惯导系统连同回装标校装置整体装回到船体上，计算船载惯导系统安装在船体上的姿态、航向偏差；

S3：根据船载惯导系统安装姿态、航向偏差，反复调整船载惯导系统姿态、航向，直至安装姿态、航向偏差小于回装技术指标；

S4：船载惯导系统开机检验回装标校效果。

3.根据权利要求2所述的一种船载惯导系统回装标校方法，其特征在于，步骤S1中，将回装标校装置安装到船载惯导系统顶部，船载惯导系统开机，记录船载惯导系统姿态、航向输出的稳定值，使用光学仪器测量回装标校装置姿态、航向，计算回装标校装置在船载惯导系统上的安装偏差；

回装标校装置的坐标系b₁与船载惯导系统的坐标系b₀之间的安装偏差为：

回装标校装置在船载惯导系统顶部是固定安装的，回装标校装置姿态、航向与船载惯导系统姿态、航向之间的偏差在实验室内标定。

4.根据权利要求3所述的一种船载惯导系统回装标校方法，其特征在于，将回装标校装置安装到船载惯导系统上之后，多次开机记录船载惯导系统航向的稳定输出值，取均值作为船载惯导系统航向。

5.根据权利要求3所述的一种船载惯导系统回装标校方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

S201，将船载惯导系统连同回装标校装置一起装回到船体上；

S202，测量船体水平基准姿态、艏艉线方向；

S203，使用光学仪器测量回装标校装置的姿态、航向；

S204，计算船载惯导系统与船体的姿态、航向的偏差；

根据回装标校装置在船载惯导系统上的安装偏差，转化成船载惯导系统与船体姿态、航向的偏差；

将式(1)代入式(2)得式(3)

6.根据权利要求5所述的一种船载惯导系统回装标校方法，其特征在于，步骤S203中，在船内设置陀螺经纬仪，陀螺经纬仪自寻北确定其航向，使用自准直仪测量陀螺经纬仪到回装标校装置方位镜观测面的转角，根据陀螺经纬仪的航向测量值、自准直仪测量的转角以及观测面与航向的垂直关系计算回装标校装置的航向。

7.根据权利要求5所述的一种船载惯导系统回装标校方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：

S301，调整船载惯导系统的姿态；

计算船载惯导系统姿态的预期调整量，船载惯导系统在船体上安装的姿态偏差即为船载惯导系统姿态的预期调整量；

式中t₀为船载惯导系统初始回装时刻，由式(4)计算船载惯导系统姿态的预期调整量；

根据船载惯导系统姿态的预期调整量改变船载惯导系统的姿态；

使用电子水平仪测量回装标校装置的姿态θ₁(t_n)、γ₁(t_n)，通过式(5)计算下一步的预期调整量；

式中t_n为回装标校装置的姿态测量时刻，其下标n为正整数；

通过重复调整船载惯导系统姿态、测量回装标校装置的姿态，直至船载惯导系统满足姿态回装技术指标，若姿态回装技术指标是1角分，则当预期调整量小于1角分时，结束船载惯导系统的姿态调整；

S302，调整船载惯导系统的航向；

计算船载惯导系统航向的调整量，船载惯导系统在船体上安装的航向偏差即为船载惯导系统航向的预期调整量；

由式(6)计算船载惯导系统航向的预期调整量；

根据船载惯导系统航向的预期调整量调整船载惯导系统的航向；

使用自准直仪转角变化值计算回装标校装置航向实际调整量，比较实际调整量和预期调整量的偏差，制定下一步调整的方向和大小；

通过重复调整船载惯导系统航向、测量回装标校装置的航向，直至船载惯导系统在船上安装的航向偏差小于航向回装技术指标，若航向回装技术指标是1角分，则当船载惯导系统在船上安装的航向偏差小于1角分时，结束船载惯导系统的航向调整。

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