船用惯性导航设备修理现状分析

                船用惯性导航设备修理现状分析

马灵岩

中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 天津市红桥区 300131 

摘要：目前船用惯性导航设备大体可分为平台式惯导和捷联式惯导设备，两类惯导设备均逐渐进入修理期。本文先从两类惯性导航设备的组成结构和工作原理方面进行介绍，在影响维修保障工作的试验工作环境、技术保障条件、元器件更换及定标几个方面比较分析，得出了当前船用惯导设备的修理现状，从而可以更好地完成各类维修保障任务。

关键字：船用；惯性导航设备；修理现状分析

惯性导航设备是船舶上的重要设备，可以在船舶航行过程中实时提供位置和姿态信息。目前船用惯性导航设备可分为平台式惯导和捷联式惯导，两类设备都可在已知初始位置参数的情况下自主工作。但缺点是，经过长时间的工作后，惯性元件的误差随时间增长而积累，惯导输出的精度参数也随之变得不可靠不精准。科研人员经过多年的努力，将关键元件陀螺仪从机械液浮式发展到激光、光纤等光学陀螺仪，加速度计也由液浮式发展到了挠性支撑等可以更为可靠地长时间工作的技术。随着时间的推移，平台式惯导设备已经进入维修期，而捷联式惯导也将迎来大面积修理。所以有必要对两类船用惯性导航设备的维修现状进行分析比较，为后续维修工作提供有力支撑。

1.船用惯导设备的组成结构和基本原理

1.1组成结构差异

平台式惯导设备一般是在稳定平台框架内安装陀螺仪和加速度计，陀螺仪的敏感轴构成一个台体坐标系，可以隔离载体的振动，通过计算模拟当地的地理坐标系。两个敏感轴互相垂直的加速度计在地理坐标系下测量两个方向的加速度。这种方式的导航计算量小，但设备体积大结构复杂，维修成本较高。

捷联式惯导具有导航精度高、可靠性好、小型化等特点，是目前船用惯性导航的发展方向之一。捷联式惯导设备没有实体的平台，是将惯性元件直接固定在载体上，通过三个敏感轴相互垂直的陀螺仪建立载体坐标系，敏感载体的角速度。再经计算机结算后，可以将载体坐标系通过姿态矩阵变换到导航坐标系中，从而可以得到船舶的位置和姿态信息。捷联式惯导因为不需要稳定平台，是一种用计算机把测量信号变换为导航参数的导航技术，所以长时间工作更稳定可靠。但捷联式惯导要求使用高性能、可靠性好、输出数字信息的加速度计，并且因为需要进行大量数字计算，所以对计算机的性能和容量都有更高的使用要求。

1.2基本原理相同点

平台式与捷联式惯导设备的基本原理大致相同，都是通过设备安装的陀螺仪和加速度计，测量船舶运动的角速度和线速度。通过已知的初始参数，经计算机积分运算，可以得到船舶实时的位置信息和姿态信息。这种原理的优点是除了初始参数外，全程不需要接受和发送外部信息，从而可以做到更强的自主性和隐蔽性，抗干扰力强，提供的导航参数多，适用的条件宽。

2.船用惯性导航设备的维修差异

经过对平台式惯导和捷联式惯导有关组成结构和基本原理的对比分析，我们可以展开分析船用惯导设备有关维修工作的差异比较。

2.1试验工作环境

在设备维修所需试验环境方面，平台式惯导与捷联式惯导有许多相似点。首先实验室在建立之初都应建设北向基准台，以便设备正常运行后，航向数据可以有基准作比较；在设备做动态精度试验时，都需要有转台；在设备温控试验时，需要有可以调控温度的温箱；在设备车载试验时，需要有符合试验条件的试验车；在实验室环境中进行维修验收时，会涉及接口调试，需要对应的接口设备或模拟接口设备。

但两类惯导设备所需试验环境也有所不同。平台式惯导的陀螺仪和加速度计都有严格的工作温度，所以在平台内部都有专门的温控线路，设备也有所需要的外部环境温度要求。而捷联式惯导工作时对外界环境温度有更强的适应性，设备级调试过程中对实验室环境温度没有苛刻要求，但在惯性元件调试时需要对温度进行调控，所以元件级调试过程中也需要温箱；平台式惯导设备转动部件较多，设备装配时所需的实验室环境更苛刻，对人员的技能要求也更高。作为对比，捷联式惯导所需的设备装配条件相对较低；捷联式惯导因为惯性元件是固连在机体上的，所以在标定过程中需要的是双轴或三轴转台。而平台式惯导因为自身装有旋转框架，标定不需要额外的转台设备；另外在车载试验和接口调试验收过程中，由于平台式惯导与捷联式惯导的构造设计不同，调试所需设备、接口和试验程序也不可通用。

2.2技术保障条件

在技术保障条件方面，平台式惯导所安装的机械液浮式陀螺仪和加速度计都比较脆弱怕震动，所以在惯性元件运输和保存过程中需要避免震动，惯导设备在关机后陀螺仪的停机也需要一段时间，避免设备的震动。而捷联式惯导的光学陀螺仪相对结实可靠。在使用寿命方面，平台式惯导所安装的机械式元件寿命没有捷联式惯导所安装的光学元件长，故障更换频率相对较高，长时间的工作稳定性也没有光学元件来的可靠，所以维修备件存储量也需要相应更高。在惯性元件保存条件方面，两类惯导设备都有相应的仓储环境要求和最长存储年限，在仓储保障条件方面是相似的。另外根据使用寿命不同，在不同等级的维修保障任务中，维修深度也是不同的，平台式惯导总体上在维修工程中需要更换的元器件相对于捷联式惯导更多。

2.3元器件更换及定标

在元器件更换方面，平台式惯导的陀螺仪和加速度计都是以独立的方式安装在平台内框架上，装卸过程相对简便，单独更换某一惯性元件不需拆动其它元器件。而捷联式惯导的惯性元件大都是以惯性组件的方式安装在设备内的，陀螺仪和加速度计安装的更为紧凑互有干涉，拆卸某一元件时可能会涉及其它元件的拆动，更换损坏件的过程比较复杂，或完全无法单独更换某一元件，只能整体更换惯性组件。

无论是平台式惯导还是捷联式惯导，设备在长时间工作后进入维修期，或更换惯性元件后，都需要对设备进行定标工作。定标就是将设备长时间工作后元器件参数的偏移进行补偿，从而恢复设备的精度性能的工作。平台式惯导由于自身具备就可以转动的平台框架，能够带动陀螺仪和加速度计转动，所以在船舶安装现场即可方便的进行定标工作。而捷联式惯导设备因为自身不带旋转平台，陀螺仪和加速度计不可跟设备进行转动，所以捷联式惯导元件定标一般需要将惯组整体拆下后待会具备所需条件的实验室中，依靠双轴或三轴转台和编制好的定标程序进行惯性元件定标，待完成后再装回船舶设备中，在定边工作方面没有平台式惯导方便。

3.总结

经过全文对船用惯性导航设备在组成结构和基本原理方面的介绍，分析出了两类惯性导航设备在涉及维修保障的维修试验环境、技术保障条件、元器件更换及定标方面上的相似点和不同点。通过对比可以得出船用惯导设备修理现状，能够提高对船用惯导设备维修保障的认识，对马上进入维修期的捷联式惯导的维修保障提供一定的参考，更好的完成后续各类维修保障任务。

参考文献

[1]秦永元.惯性导航[M]. 科学出版社,2005,287-360.

[2]杜习奇.GPS与捷联惯导组合导航系统研究[D].南京:南京理工大学,2004.

[3]于沛,杨攻流,张璐,等.平台式惯导仿真系统的设计与实现[J]. 航空计算技术,2013,43(3):124-127.

[4]贺信.捷联惯导的仿真及其组合导航的研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

[5]陈凯，张倩怡,殷志国.捷联式惯性导航仪设计[J].计算机系统应用,2011,20(12):105-108.