船用光纤陀螺罗经试验方法

霍 庚，温朝江

（ 92941部队，辽宁 葫芦岛 125000）

罗经是用于确定舰船航向和观测物标方位的仪器，广泛应用于航海导航中，它为舰船的安全航行提供保障[1-3]。陀螺罗经通过陀螺等惯性器件敏感载体角运动，利用机械稳定平台或数学平台计算得到载体在当地地理坐标系下的航向和姿态等信息。

传统平台罗经均采用机电式陀螺（如液浮陀螺、挠性陀螺），框架式结构，陀螺转子由随动装置支撑，结构复杂。陀螺电机运动时产生的附加干扰力矩和支撑悬挂点产生的摩擦力矩都会导致误差。由于存在启动时间长，陀螺受到冲击时产生的误差大，可靠性差等缺点，故维修成本略有提高。在舰船遭遇突发状况及在各种复杂情况下，传统平台罗经因具有一定的局限性，从而影响了舰船航行的安全和效率。

近年来，激光和光纤陀螺仪技术日趋成熟，由于其自身显著的优点，船用罗经技术已逐步向光学陀螺船用罗经技术的方向发展[4-5]。相比激光陀螺存在闭锁现象且生产工艺复杂等问题，光纤陀螺因其自身体积小，重量轻，性价比高，更适用于捷联式罗经系统。

本文通过对光纤陀螺罗经的工作机理及影响整体性能的关键技术进行分析，提出了1 种针对光纤陀螺罗经试验的鉴定方法。该方法采用海陆结合的试验模式，根据陆上试验与海上试验的特点，取长补短，进行有针对性的分析研究，并根据实际需求重点开展了对试验航区、试验航次设计等关键条件以及重要指标考核方式的确立，该方法具有一定的可行性。

1 光学陀螺罗经工作机理

光学陀螺罗经的基本原理是基于萨格奈克相移效应，与其他陀螺相比，它全固态、无机械活动部件，陀螺精度和可靠性高于液浮陀螺和挠性陀螺。相较于航空航天、陆战等领域，航海领域的光纤陀螺罗经的特点在于能够提供长时间高精度的载体航向等导航信息。因此，航海导航对光纤陀螺精度有着不同的使用要求。影响光纤陀螺罗经指向精度的重要因素是零偏稳定性。

目前，国内光纤陀螺的研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求，中等精度光纤陀螺技术已经成熟，精度优于0.01( °) /h，高精度光纤陀螺精度优于0.001( °) /h[3-8]。由于舰船使用环境的特殊性，可根据系统精度及其他任务指标要求进行合理选型，以满足海上环境适应性要求。

光学陀螺罗经系统整体采用模块化设计，由惯性测量单元、导航结算单元等组成，其工作原理，如图1所示。

图1 光学陀螺罗经的基本工作原理图Fig.1 Basic working principle diagram of optical gyrocompass

光学陀螺罗经解决了框架结构带来的缺陷，避免了舰船频繁机动运动时带来的冲击及摇摆产生的航向误差。光学罗经在高纬度工作时采用极地算法[9-13]，可抑制航向误差的快速发散，能保证一定的使用精度，使工作范围变广，适用性增强。

惯性测量单元由光学陀螺仪和加速度计构成，直接与载体固联，惯性测量元件易于重复布置，实现冗余技术，可靠性明显提高。系统采用捷联式罗经方案，由高速计算机代替框架结构，用数学平台取代了传统罗经繁复的机械式平台结构。通过采集惯性测量单元输出的载体加速度和角速度信息，经数字解算，输出载体的航向、水平姿态和角速度等信息。

2 关键技术分析

2.1 初始对准技术

初始对准是罗经进入导航阶段的必经阶段。对准的精度直接影响罗经的精度水平；对准时间决定了舰船的反应速度。罗经法自对准是1种常用的初始对准方法[3]，适用于光学陀螺罗经初始对准。该方法是基于经典控制理论，利用罗经项的影响，控制方位轴找北且不依赖于外界信息的对准方法，适用于载体无速度的条件即静基座条件下使用。当载体存在速度时，陀螺仪和加速度计会感知到载体的角速度和线速度信息，通过控制回路影响罗经对准效果。光学陀螺罗经对准分为水平对准和方位对准[14-16]。为了满足水平精对准对速度和精度要求，本文将系统设计具有抗干扰能力的二阶水平对准回路。北向通道，如图2 所示，东向通道与北向类似。

图2 北向通道水平精对准原理方框图Fig.2 Block diagram of horizontal alignment principle for the northbound passage

图2 中：φE，φU分别为东向失准角和方位失准角；wN=wiecosL（L为当地纬度）；εE分别为等效的东向陀螺漂移，∇N为等效的北向加速度计偏置；g为重力加速度；K1、K2为北向水平对准中的设计参数。东向和北向的对准回路相似，因此，这里只讨论北向水平对准回路。引入K1改变系统的阻尼比，通过选择合适的参数，东向失准角虽能收敛，但收敛速度很慢，需要84.4 min 才能完成1 个周期的衰减。引入K2则可改变系统的振荡频率，从而加快收敛，形成二阶快型水平对准回路[17]。

光纤陀螺罗经从启动到输出有效的姿态信息只需十几分钟，这使对准的速度和准确率显著提高，尤其是在高纬度或高速频繁机动时，光学罗经优势更加明显。

2.2 阻尼技术

光纤陀螺罗经在长时间工作时，存在3 种振荡误差，误差会随时间的发散而影响系统精度。因此，为了保证罗经长时间高精度工作，通常采用阻尼技术来抑制振荡误差[18]。根据运动状态的不同，采用不同的阻尼方式，如内阻尼、外阻尼及全阻尼。外阻尼实际上是光学罗经与GPS、磁罗盘、高度表、测流仪等外部传感器进行组合导航，对设备主要误差源等信息进行估计和补偿，使整体性能得到大幅提高[4]。

图3 光学陀螺罗经组合导航原理框图Fig.3 Block diagram of optical gyrocompass integrated navigation

3 试验方法研究

光学陀螺罗经作为航行保障设备，其特点在于航向不随时间发散，可长时间保持高精度的姿态信息，具有一定的环境适应能力。工作方式分为自主方式和外部信息组合方式，这2 种工作方式都能满足舰船在各种机动条件下正常工作及长航时、高可靠性自主工作的需求。因此，在试验设计时应立足舰船的不同运动状态充分考核不同海域、不同海况及洋流条件下，罗经的自主工作能力，特别是在复杂环境及边界条件下。本文在借鉴国内外惯性导航试验方法的基础上，充分考虑时间成本、资源成本及经济成本，提出1 种适合船用光学陀螺罗经系统的试验鉴定方法，在技术状态一致的前提下，可提高利用试验信息的综合效率，采用海陆结合一体化、综合评估的试验模式。光学陀螺罗经试验鉴定模式总体框图，如图4所示。

图4 光学陀螺罗经试验鉴定模式总体框图Fig.4 General block diagram of optical gyrocompass test identification model

1）陆上试验与海上试验相结合

若要提升光学陀螺罗经的精度并提高其可靠性，必定会使试验考核周期有所延长。由于试验航区，海况条件和载体保障能力有限，在海上完成机动条件下的测量存在一定难度，尤其是对复杂环境下的舰船大幅值偏航、摇摆、升沉以及大机动条件等。单纯的海上试验无法实现全面考核，因其不仅增加了海上试验的风险，同时也加大了试验难度，因此，开展陆上试验，进行相关项目的考核就尤为必要。

基于光学罗经试验周期长、全天候，海域范围大和自成体系的特点，光学罗经试验可通过陆上试验和海上试验2个阶段来完成，整个试验以海上试验为主，陆上试验为辅。海上试验主要对光学罗经在实际航行中的重要性能指标（如精度指标）及环境适应性进行考核，摸清复杂环境及边界条件下光学罗经系统的主要性能特点；陆上试验主要针对海上试验中因实施困难而无法充分考核的项目或根本不具备考核条件的项目进行的补充试验，它是依托陆上模拟仿真系统，陆上实验室条件及试验车等进行复杂干扰环境构建、边界条件模拟考核、故障分析等，主要完成惯性器件测试与标定、摇摆试验、升沉试验及冲击试验。

2）内场试验与外场试验相结合

外场试验受限因素多、实施难度大，存在一定安全风险。对于重要指标来说，若外场不具备考核条件或效费比较低，可通过内场试验得到充分考核或验证；对于内、外场均可实施的试验项目而言，可根据权重，设计分配内、外场试验项目进行考核。内场试验以实验室试验为主，包括高低温、盐雾、冲击、振动、电磁兼容试验等，并对环境适应性、电磁兼容性等指标进行考核。

3）综合评估

通过陆上和海上试验获得的数据，对光学罗经总体性能指标进行综合评估，可改变以往由单一海试结果决定罗经精度性能评估的模式。将陆上、海上试验结果以加权平均的方式给出系统综合评定指标，以提高罗经精度的最终评估准确性和全面性。

4 试验设计的关键条件

4.1 试验航区及机动条件设计

光学陀螺罗经适用于各种类型的舰船，主要以保障其安全航行为主。光学陀螺罗经需要具有全球范围内的航行能力，包括在公海、沿海以及极地地区[5-6]。在试验设计时，要充分考虑纬度变化对系统精度的影响。传统的试验方法中，试验海域单一，纬度跨度小，不能充分激发系统误差特性。该方法将选择纬度跨度大的海域作为试验航区，如高低纬海域（极地地区和赤道），这样既有近海海域又涉足远海海域。试验航区设计应充分考虑将合理性、安全性、经济性和可操作性相结合的原则，保证达到试验目的。

光学陀螺罗经处于不同的工况（海况）下会表现出不同的误差特性，因此，设计不同的舰船机动方式，可以充分激励罗经系统在试验过程中出现最大误差（显著影响试验结果），这样可最大程度地掌握系统特性，以此摸清光学陀螺罗经的性能边界。该方法在机动适应条件考核指标中对每个样本增加了机动次数和机动样式的设计，如机动次数不少于3次，机动样式采取混合机动和大机动相结合的方式，混合机动应包括匀速直航、变速和旋回等运动，每种机动运动时间依实际情况设计。

4.2 试验样本的确定

指标考核试验中，试验样本之间相关紧密，并非独立。试验样本设计的合理性直接影响其对系统性能指标评定的结果。光学罗经的精度指标均符合正态分布，1个有效试验航次记为1个试验样本，试验样本过少，即航次越少，与正态分布的差异就越大，这样就不能充分反应系统的性能特性，难以取得具有统计意义的试验结论，从而失去了试验评定的意义[7]。试验样本过多，即航次过多，这样就会提高试验风险和成本，增加试验周期。

通常情况下，惯导试验样本数量应不小于8个，考虑到近年来国内惯性导航系统精度的飞速提升，保精度时间越来越长，外场试验测量难度加大，人力、费用消耗大等因素，在试验置信度为95%的情况下，可将期望均值置信限提高为1.5 倍样本标准差，来达到降低试验次数的目的，但至少不能少于3次。

本文提出根据惯导误差特性与规律，优化调整不同样本测试数量与时长，采取长短样本结合的模式，研究各类样本之间的相关性，根据长航时与短航时系统性能呈现的关联性，增加短航时样本数量，并利用短航时样本预测长航时系统性能，减少长航时样本数量。在降低试验总时长的同时，确保试验性能测试的充分性，提高海上试验效率。

5 试验验证

根据上述总体试验方案和试验设计的关键条件，进行了罗经系统陆上摇摆试验和海上航行试验，验证该方法的合理性和可行性。

5.1 陆上摇摆试验

将光纤陀螺罗经系统安装在三轴摇摆转台上，设置三轴转台的各项摇摆指标（包括内外框幅值、周期、转台方位）。设置好参数后，转台的3个轴同时进行摇摆运动，在摇摆过程中，分别设计大幅度摇摆和小幅度摇摆交叉的方式，以模拟不同海况条件。按照罗经系统工作方式进行样本设计，分为A、B、C 三大类，每类样本时长2 h，根据指标的优先级确定A、B 类样本做8 个，C 类样本做3 个，数据录取装置全程记录试验数据。记录启动时间，按指标要求进行航向、纵摇、横摇误差（MAX）的统计，最后进行数据处理分析。

5.2 航行试验

为了进一步验证方案的合理性，搭载某船进行海上验证试验，以单轴惯性导航设备为基准进行参照，在航行过程中进行初始对准，按计程仪速度组合和GPS位置+计程仪速度组合2种方式进行考核，分别记为样本A 和B，采取B 短样本与A 长样本结合的试验设计方法，在每个样本航行期间结合混合机动和大机动条件考核主要指标的动态精度，每种机动时间不少于15 min，实际试验鉴定具体机动时间可视情完成。数据录取装置全程记录试验数据，记录启动时间，按指标要求进行航向、纵摇、横摇误差（MAX）的统计。最后进行数据处理分析。根据考核要求，综合陆上摇摆试验和海上试验结果，充分验证了该方法科学合理，具有可行性和可操作性。

6 结束语

本文在对光学陀螺罗经工作机理和关键技术深入分析的基础上，提出满足光纤陀螺罗经试验鉴定需求的试验理念和试验模式，利用该方法进行试验设计，对试验设计中的关键条件和重要指标考核因素等重点方面进行详细的分析与阐述，最后通过陆上和海上试验，验证该方法科学合理，具有可行性和可操作性，在试验鉴定工作中具有一定的实践意义。该试验方法在实施的过程中还可能会面临诸如因试验所需真值测量设备可选范围越来越小而带来的试验测试手段不完备，试验保障能力不足、环境不逼真带来的对复杂环境及边界条件下考核不充分等问题，后续会针对上述问题重点开展复杂环境及边界条件仿真试验及评估方法研究。