光学平行装置精度测量及数据处理*

杨益兴

(武汉市64291信箱 武汉 430064)

1 引言[1]

惯性导航设备或其它方位测量设备在装船时,须进行标校校准试验,使具有方位基准的被试设备与测量设备间的方位零位一致,并与载体的方位零位相匹配。方位标校校准往往会遇到一些困难,如果被试惯性导航设备与测量设备安装在不同的舱室而不通视,再加上距离远,必须通过多台经纬仪接力的方式才能完成方位标校工作,会带来中间误差。设备安装于不同高度的舱室,依靠经纬仪进行光路传递时,上、下经纬仪的俯仰角就会很大,有时超过了40°。根据光学测距原理,简化的方位测角误差公式为:Δ F=Δ H ×sin(A)×tan(h)(其中 Δ F为方位测角误差,ΔH为载体不水平度,A水平倾角与测量方向的夹角,h为经纬仪的俯仰角)。

如上所述,比较好的解决办法是采用光学传递装置,用来完成不同舱室之间的方位传递。光学平行装置是一种高精度的动态标校光学传递装置,用于船舶方位的测量、船舶惯性导航设备方位信息校准等用途,可以用来解决被测惯性导航设备与测量设备安装在不同的舱室所带来的不能够通视、距离远、中间环节引起的过程误差比较大等问题,可以完成上、下舱室之间的方位直接传递。如图1所示。

图1 光学平行装置示意图

光学平行装置属于精密光学测量装置,但由于几何尺寸比较大以及装置的应力变形等原因,还会存在误差,为此就需要对该装置进行精度测量,本文依据国家军用标准GJB3756-99《测量不确定度的表示及评定》和国家计量技术规范JJF1059-1999《测量不确定度的评定与表示》中的要求,对光学平行装置的精度测量以及测量不确定度进行了较为详细的分析,给出了该方法的扩展不确定度。

2 试验所需仪器及附件

光学平行装置精度试验测量系统的主要仪器及附件包括:经纬仪、水银盘、自制仪器架、细琴弦、阻尼油桶等。

◦经纬仪,完成精度测量的主要测试仪器。

◦水银盘,光学平行装置水平放置时,提供一种绝对的水平基准。

◦自制仪器架,用来支撑经纬仪、水银盘等的支架。

◦细琴弦,用来构建方位基准。

◦阻尼油桶,细琴弦的铅垂吊放在阻尼油桶内的油中,保证两根细琴弦建立的方位基准的稳定性。

3 试验方法

3.1 标定光学平行装置上、下反射镜

首先组装光学平行装置的上、下接杆以及上、下反射镜,用经纬仪将光学平行装置轴体调水平,然后用2台经纬仪、水银盘把上下反射镜镜面调平行对准,最后复测,上反射镜相对下反射镜方位偏差。方位偏差的大小可以用来验证反射镜本身结构的稳定性。

图2 使用经纬仪以及水银盘标定反射镜示意图

3.2 建立测量基准方位

图3 建立方位基准示意图

用细琴弦线吊铅垂的悬线建立测量基准方位(见图3)。两铅垂悬线下面分别吊一个铅垂,铅垂放在阻尼油桶中,两铅垂悬线相距足够远的距离,两者确定了一个精确的铅垂面,在试验现场两个不同的水平面内分别按上、下反射镜的高度设两台经纬仪,望远镜观测面被调定在该铅垂面内,建立起基准方位。

3.3 竖起光学平行装置检测上、下反射镜

在光学平行装置进行精度检测试验过程中,光学平行装置装在可转动的光学平行装置支架内,并随支架一起吊起、固定等操作。

精确调整两经纬仪按两个铅垂悬线建起一致的基准方位,再将光学平行装置竖立在建立方位基准的两个铅垂线之间位置(如图 4所示)。转动光学平行装置轴体,使最下面水平面内的经纬仪2对下反射镜自准直,测量下反射镜法线相对基准方位的偏差角。同时,上水平面内的经纬仪1对上反射镜自准直,测量上反射镜相对基准方位的偏差角。然后用将光学平行装置再重新平行放回原来位置重复进行下一次测量。共重复测量n次。

图4 竖立测量时的光学平行装置示意图

4 数据处理及精度评定[2～3]

光学平行装置的精度测量对测量的精度和准确性要求很高,需要对测量结果的不确定度进行计算。

4.1 测量数据预处理

计算两经纬仪测上、下反射镜相对基准方位的偏差角

式中,δ下为下水平面的经纬仪2测得下反射镜相对基准方位的偏差角(″);δ上为上水平面的经纬仪1测得上反射镜相对基准方位的偏差角(″);θi为下水平面的经纬仪2测得基准方位读数(″);θ′i为下水平面的经纬仪2测得下反射镜方位读数(″);φi为上水平面的经纬仪 1测得基准方位读数(″)′为上水平面的经纬仪1测得上反射镜方位读数(″);xi为两经纬仪测得上反射镜相对下反射镜的方位偏差(″)。

根据前面所述,重复测量n次,就可得出n组xi数据(x1、x2、…、xn-1、xn)。如果 xi为负值 ,说明上反射镜相对于下反射镜方位偏小;反之如果xi为正值,说明上反射镜相对于下反射镜方位偏大。

4.2 异常值检验[4]

测量数据中出现异常值时,应仔细查其原因,如果是粗大误差或变值系统误差所致,则应在测量中找出根源,设法消除或剔除该数据后再计算。若无充分理由肯定其是坏值时,则不得剔除,可以在维持等精度测量条件的前提下,增加测量次数。我们采用格拉布斯(Grubbs)异常值检验法,为此将样本按方位自小到大排序为:

根据上述样本有

根据格拉布斯检验规则,采用双侧情形检验法,按下式计算统计量Gn和:

取检出水平α=0.5,n=n,根据格拉布斯检验法的临界表对应n,α/2的临界值得G1-α/2(n)=2.355。查格拉布斯检验法规定:

否则,判定“没有异常值”。

x(n)、x(1)分别是样本排序的第n个值和第一个值。根据上述规定判定将异常值剔出,剩余的样本(x1、x2、…、xu)即为有效数据。

4.3 测量不确定度分析

测量不确定度是表示测量结果不能肯定的程度,或者说它是表征测量结果分散性的一个参数,是用于说明测量准确度高低的一个可量化的表示值。有了这个就可以评价测量结果的可信程度或进行比较。GJB3756-99《测量不确定度的表示及评定》中规定:不确定度用来表征合理赋予被测量值的分散性,是测量结果含有的一个参数,与测量结果相关联。

1)测量结果

光学平行装置上反射镜对下反射镜方位偏差量用测得u个有效偏差值的平均值来表示:

2)测量仪器不确定度[5]

经纬仪标准偏差0.5″,考虑瞄准误差在内设定一次测角误差1″。一次测量一台经纬仪两次测角不确定度为 2″,一次测量两台经纬仪引起的测量不确定度u1为:

3)多次测量重复性引入的不确定度[6]

把光学平行装置检测看成每次测量都是独立的直接测量,服从正态分布。按标准不确定度的A类评定,用贝塞尔法计算每次测量标准偏差:

u2是n次重复测量结果的标准不确定度,等于平均值¯x的标准偏差。

4)计算合成不确定度

合成不确定度uc为

5)计算扩展不确定度[7]

计算测量结果的扩展不确定度U,取置信概率P=95%,包含因子k=2有

5 试验情况

该试验在试验室中进行,共进行了11次重复测量,为了保证试验数据的可靠性以及试验结果的稳定性,选择在晚上零点以后进行,尽量地减少外界环境的影响,同时严格细致的制定试验实施细则,保证试验数据的有效性。

光学平行装置上反射镜相对下反射镜的方位偏差检测结果表示为:

试验结果表明:光学平行装置按规定程序、状态在码头标校中使用,扩展不确定度95%情况下在5″之内,机构比较稳定。

图5 方位偏差检测结果

6 结语

本文首先介绍了一种光学转换装置(光学平行装置)精度测量的试验方法,介绍了和不确定度相关的信息,如异常值的处理、评定方法、测量仪器不确定度等,并根据该方法对光学平行装置精度试验采集到的数据进行了分析处理。结果表明该光学平行装置结构稳定可靠,精度测量和不确定度评定可以作为动态标校试验的依据。本试验方法和评定方法可以用在其它同类光学转换装置的精度测量和评定中。

[1]郑梓祯,刘德耀.船用惯性导航系统海上试验[M].北京:国防工业出版社,2006,1

[2]GJB3756-1999测量不确定度的表示与评定[S].中国人民解放军总装备部批准发布,FL-0151,1999,3

[3]JJF1059-1999测量不确定度的评定与表示[S].国家质量技术监督局发布,1999,1

[4]宋明顺.测量不确定度的评定与数据处理[M].北京:中国计量出版社,2000,1

[5]JJF1094-2002测量仪器特性评定[M].北京:中国计量出版社,2002,11

[6]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.靶场大地测量[M].北京:国防工业出版社,2004,1

[7]刘延军.发射场计量测试技术[M].北京:国防工业出版社,2006,12