舰机传递对准中杆臂矢量的实时监测研究

The lever arm effect has a major impact on the accuracy of the ship-to-aircraft transfer alignment in inertial navigation. The lever arm, with a long length, in the large-sized naval vessel deforms easily under the dynamic loads and the impact force caused by wind wave. As a time-varying parameter to the INS, the level arm shouldn't be considered to be an ideal rigid body. In order to acquire the lever arm vector in real time accurately, we propose the optical vector theory and its real-time measurement techniques. To this end, photoelectric sensing devices will be set in the main and sub body of the inertial navigation system, and the relationship between the optical vector and the actual arm structure will be constructed. In this way, the position of the lever arm’s endpoint can be monitored in real time, thus the real-time calibration of the lever arm effect in an inertial navigation system is realized. Compared with other existing technologies, the proposed method not only complies with the ship's non-rigid rules, but also avoids the difficulties in establishing the model of the arm deformation in complex structures. Based on the realizable techniques, several solutions are proposed as well to solve the practical problems, including the interference of stray light of the environment, the guarantee of long distance measurement accuracy and the light path obstacles avoidance between the main and sub inertial navigation. Using this method, the ship deformation and the lever arm vector variable will be monitored directly in real time, and the solutions of the lever arm vector measuring systems, such as the error analysis and compensation techniques、the evaluation methodology, will be applied to solve more shipboard equipment real-time alignment problems in inertial navigation.

杆臂效应是惯导技术中舰机传递对准精度的重要影响因素。大型舰船的“杆臂”长度大且容易在风浪冲击和负载变化时产生形变，属于惯性导航系统运行中的时变参数，因此“杆臂”不应被视为理想刚体。针对杆臂矢量的实时获取问题，本项目提出了光学矢量方法及其实时测试技术，通过在主、子惯导本体上设置光电传感装置，构建光学矢量与实际杆臂矢量的关系，获得实际杆臂矢量端点的实时位置信息，实现惯导系统杆臂效应的实时校准。区别于现有技术，本项目既遵守舰体的非刚体规律，又避免了在复杂结构上建立杆臂形变模型的困难，结合技术实施，提出了针对环境杂散光干扰、长距离测量精度保障、主、子惯导间光路避障等实际问题的解决方法。本项目提出的通过直接监测舰体形变以获取杆臂矢量实时变量的理论和方法，测量系统的误差分析和误差补偿技术，以及杆臂矢量测量精度的评价方法，也可扩展应用于舰载其他装备的实时对准问题。

杆臂效应是惯导技术中舰机传递对准精度的重要影响因素。大型舰船的“杆臂”长度大且容易在风浪冲击和负载变化时产生形变，属于惯性导航系统运行中的时变参数，因此“杆臂”不应被视为理想刚体。对杆臂效应的补偿是以杆臂矢量的长度为前提的，现有补偿技术中将“杆臂”视为刚体，采用估算的方法获取“杆臂”长度，既不准确也不合理，对杆臂矢量实时测量的技术和方法还鲜有报道。.本项目提出了一种基于光学矢量方法的杆臂矢量实时检测技术，通过在主子惯导附近位置设置光电传感器，构建光学矢量与实际杆臂矢量的关系，获得实际杆臂矢量端点的实时位置信息，实现杆臂矢量的实时测量，为杆臂效应的补偿提供直接的数据支撑。针对环境杂散光干扰问题，采用了滤光暗室技术，可以有效滤除杂散光对图像传感系统干扰；针对长距离精度测量保障问题，采用了前置式图像采集技术，由于图像传感器与激光接收屏间的物距固定不变，因此激光的成像质量与主、子惯导的间距无关，可在整个工作过程中清晰成像，保证了测量系统的精度和可靠性；针对主子惯导间存在舰体、甲板等障碍物的遮挡问题，通过在障碍物附近位置放置测量基准传递装置，将主惯导附近位姿基准跨障碍传递至子惯导附近位置，实现了杆臂矢量的跨障碍测量。.在项目组所有成员的共同努力下，该项目完成了杆臂矢量测量系统试验样机研制。完成了实验室条件下杆臂矢量测量系统各部分的标定及误差补偿工作，完成了室外环境中杆臂矢量跨障碍模拟测量实验，验证了测量系统的测量精度及可靠性。现阶段实验结果表明，无障碍物遮挡时，以杆臂长度为100m的情况为例，测量系统在竖直方向测量精度优于±1mm，相对于光学矢量的俯仰角测量精度优于±2″；存在障碍物遮挡时，以杆臂长度为30m的情况为例，杆臂矢量长度测量精度优于±1mm，杆臂长度测量相对误差小于0.033‰。.该项目的研究，创新性地提出了舰机传递对准中杆臂矢量的光电测量理论和方法，实现了杆臂矢量在实际工程中的直接测量，为评价针对杆臂效应的各类补偿方法提供了一种技术途径和理论依据；研制了一套杆臂矢量测量系统试验样机，既遵重杆臂矢量非理想刚体的事实，又避免了在复杂结构上建立杆臂形变模型的困难，为杆臂效应的补偿提供了直接的直接的数据依据，能有效提高舰机传递对准的速度及精度，具有重要的学术意义和国防应用背景。