1形变测量的原理
基于激光陀螺具有高精度的角位置测量能力，通过三个相互正交安装的激光陀螺构成的组合体（ＬＧＵ）可精确测量出不同位置的角度矢量。利用两套ＬＧＵ输出的角度矢量的差值中包含的运动平台形变角的特征，采用左右顾及方法对产值信息进行处理，即可获得运动平台的形变大小和基准失准角。船体角变形测量方法的基本原理是两套ＬＧＵ对同一船体角运动矢量进行测量，通过比较两套系统输出的角度测量值的差异，得到船体变形和相互之间的坐标关系，测量原理如图１所示。假设ＬＧＵ１和ＬＧＵ２测得的角速度分别为珝Ω１和珝Ω，则角速度差值可表示为Δ珝Ω＝珝Ω１－珝Ω２＝－［珝Ω１×］珗φ－珗φ·＋ε珒１－ε珒２珗φ为总变形角矢量，ε珒１和ε珒２分别为激光陀螺测量误差角速度矢量。通过引起角变形模型和激光陀螺的误差模型，可得到如下的Ｋａｌｍａｎ滤波方程。Ｘｋ＝［Φｋ Φｋ－１ θｋ θｋ－１ ε珒１ｋ ε珒２ｋ］Ｔ珤Ｘｋ＝Ａｋ／ｋ－１·珤Ｘｋ－１＋Ｂｋ·ｗ珤ｋ－１珝Ｚｋ＝Δ珝Ωｋ＝Ｈ·珤Ｘｋ＋ｖ珗烅烄烆ｋ式中，Ｘ为１８维的状态变量，Φ为３维静态变形角，θ为３维动态变形角，珗φ＝Φ＋珒θ。Ａｋ／ｋ－１为１８×１８的状态转移矩阵，Ｂｋ为１８×１８的噪声系数矩阵，珝Ｚ为３维的量测变量，Ｈ为３×１８的量测矩阵。通过方程的Ｋａｌｍａｎ滤波计算，即可得到状态变量Ｘ的最优估计，从而得到静态变形角Φ和动态变形角θ的最优测量值。
2系统设计
基于激光陀螺的变形测量方法的基本思想是基于激光陀螺具有高精度的角位置（优于０．１″）测量能力，通过三个互相正交安装的激光陀螺构成的组合体（ＬＧＵ）可精确测量出所在位置的三维角度矢量，利用两套ＬＧＵ分别精确测量出不同位置的角度矢量。由于这两套ＬＧＵ输出的角度矢量的差值中包含了运动平台变形角的特征，因此采取最优估计方法对这个差值信息进行相关处理［６～７］，即可获得运动平台的变形角大小和基准失准角。2.1 变形测量系统组成变形测量系统由两套ＬＧＵ（Ｌａｓｔｅｒ ＧｙｒｏｓｃｏｐｅＵｎｉｔ，由三个相互正交安装的单轴激光陀螺构成的激光陀螺组合体的简称）、三组外部电源、两部计算机、ＧＰＳ天线和时统模块组成。2.1.1 惯性测量单元（ＩＭＵ）设计惯性测量单元包括三个二频机抖激光陀螺、三个石英加速度计、数据采集板、温控板和支撑架等，用于敏感载体三维线加速度和加速度，并采集陀螺和加速度计的输出等；电子线路单元包括旋转控制板和电源模块。ＩＭＵ设计为可独立拆装的独立组件，可通过四个螺钉与系统底板固联，电气接口设计为一个可拔插多芯接插件与系统电气部分相连。在舰船上进行更换维护时，只需松开四个螺钉、拔掉接插件即可取下ＩＭＵ。ＩＭＵ内部分成两大部分，即台体和支架。其中台体用于安装激光陀螺和加速度计，支架用于支撑台体，台体和支架之间通过橡胶减振器连接，从而隔离惯性元件与外部环境之间的噪声互扰。此外在支架内侧表面还可设置密闭的磁屏蔽材料，将惯性元件与外部磁干扰环境隔离。为使安装误差标定［８］和维修更换有基准，ＩＭＵ支架外侧有供定位用的水平和方位基准靠面。2.1.2 时统模块时统模块包含ＧＰＳ接收机，主要作用测量设备提供速度数据、位置数据、秒脉冲和时标信息。利用授时ＧＰＳ组成时统分系统，时统分系统主要由高稳定度晶振、对时线路、分频及计时电路、延时调整线路、输入输出接口电路等组成。具体原理框图如图２所示。铷原子频标输出的信号经放大整形处理后，进入分频链进行分频，得到１Ｈｚ的秒信号，秒脉冲信号与授时ＧＰＳ接收机输出的秒同步信号进行对准。１Ｈｚ的秒信号通过对时校时处理，得到与授时ＧＰＳ同步运行的时钟秒信号，该时钟秒信号进入单片机进行时间计数，得到年月日时分秒的时间信号，１ＫＨｚ信号经过２４ｂｉｔ计数器得到毫秒信号。输送给数据处理系统计算机的数据为：年月日、时分秒、秒信号及毫秒信号等。主要技术指标如下：ＧＰＳ对时误差 １μｓ；Ｂ码对时误差１０μｓ；计时电路最大延时误差３０ｎｓ；延时调整范围１～９９９９９９μｓ。2.2 技术方案由于主惯导与子惯导［９］安装于不同甲板，两者的安装位置之间存在甲板变形，为正确评价局部基准的技术指标，使用变形测量系统测量子惯导的安装基座与主惯导设备安装基座之间的变形。其中ＬＧＵ１在捷联安装于主惯导设备旁边，ＬＧＵ２捷联安装于子惯导设备旁边。数据录取装置同步录取子惯导设备的姿态、位置及速度信息，主惯导的姿态、位置及速度信息，ＧＰＳ时间信息。设备安装示意图如图３所示。４．３ 主要战技指标２５″（ＲＭＳ）。
3变形测量系统测量精度实验测试
3.1测试方案以某型测量船作为搭载试验平台，利用光学变形监测系统作为参考基准检验激光陀螺自主变形测量系统精度。两套ＬＧＵ分别安装于联合基座上。利用ＧＰＳ时统模块实现时间同步，利用数据处理计算机实时接收ＬＧＵ输出的单个基座的角度变形量，通过数据处理与计算得到联合基座的相对变形量。光学监测系统［１０］主要包括发射模块、接收模块和光学通道，发射模块包括平行光管，接收模块包括ＣＣＤ成像系统和数据解算单元。发射模块、接收模块和ＬＧＵ一体安装于联合基座上，发射模块的平行光管敏感联合基座１的纵向和横向角度变化，接收模块的ＣＣＤ成像系统接收平行光管发射的光线，通过成像计算后得到两个联合基座之间的角度变形量，与两套ＬＧＵ解算得到的角度变形量进行比对，从而达到检验ＬＧＵ测量角度变形量精度的目的。ＬＧＵ和光学监测系统安装示意图如图４所示。3.2 测试结果共进行了三个航次的试验，其中一个航次试验结果如图５所示。从对比结果可以看出，光学变形测量结果与自主变形测量结果基本一致。试验结果表明：激光陀螺变形测量系统的测量精度优于２５″。
4结语
本文通过对甲板相对变形测量方法研究及系统设计，主要测量被试装备和测试设备之间的甲板变形，得到舰船航向和姿态信息真值。对于完成不同设备间的相对变形测量任务具有实际意义。
作者：马驰新 刘素珍 单位：９２９４１部队９５分队
