0 引　言

舰船捷联控制系统，即捷联惯性导航系统（SINS），是现代舰船导航系统中的重要组成部分。它通过利用惯性测量单元（IMU）中的陀螺仪和加速度计来测量舰船的加速度和角速度，从而确定舰船的位置和姿态信息。这种系统具有隐蔽性高、不受外界环境干扰的特点，尤其适用于战场环境和恶劣气候条件下的使用。捷联式惯导系统因其体积小、成本低以及对准精度高，成为惯导领域的研究热点。舰船上武器被设置在不同位置，这些位置会由于不同的海洋气候条件、射击冲击等的变化而导致姿态变形，因而需要在舰船的不同位置分别设置分立式的基准系统^[1]。此时舰船的主导航设备能够帮助舰船确定自身在战场的主体方位，而这些分立式的基准系统则能够帮助舰载武器更加准确和快速地感知舰船局部姿态变化，提升射击准确率^{[2 − 3]}。

捷联控制系统在进行初始对准时的精度直接关系到系统的精度和启动时长，是捷联控制领域的研究重点和难点，对捷联控制系统的基准进行设计对于提升舰船导航的精确性、可靠性以及适应复杂环境的能力具有重要意义。部分学者认为捷联控制系统具有独立解算的特性，能够在大幅度晃动基座环境下进行精确对准，显示出良好的抗干扰能力^[4]，另外还有一些学者通过研究发现捷联控制系统在运行一段时间后会存在系统误差累积的问题，因此优化初始对准方法对于提高整个系统精度具有重要的理论和应用价值^[5]。

本文在对国内外文献进行充分研究的基础上，对分立式舰载捷联基准系统进行了研究，并在此基础上提出了一种基于嵌入式的舰船捷联控制系统基准设计方案。

1 分立式舰载捷联基准系统 1.1 结构设计

随着海军舰船技术的发展，舰载姿态基准系统已经成为确保舰船导航精确性的关键技术。从早期的机械摆式陀螺罗经开始，这一领域已经实现了巨大的技术飞跃。机械摆式陀螺罗经以其稳定的机械特性为舰船提供了初步的姿态稳定能力。然而，随着电子技术的进步，电控陀螺罗经的出现进一步提高了系统的响应速度和精确度。随后惯性导航系统平台罗经的引入，标志着舰船导航技术向更高自主性和可靠性的转变。这一系统通过集成多个传感器，如加速度计和陀螺仪，能够在没有外部参考的情况下独立提供舰船的位置和姿态信息。现代的捷联式陀螺罗经则代表了舰船导航技术的最前沿，它利用更为先进的传感器技术，如全固态激光陀螺和光纤陀螺。这些陀螺仪以其高稳定性、低漂移和抗干扰能力，为舰船提供了前所未有的导航精度^[6]。

对于装备有先进武器系统的大中型水面舰船，如航空母舰和导弹驱逐舰，精确的姿态和定位信息至关重要。这些舰船搭载的雷达系统需要精确跟踪目标，反导火炮和导弹发射装置依赖精确的定位来确保打击精度，而舰载机的起降平台则需要精确的姿态信息来保障飞机的安全起降。因此，舰载姿态基准系统的精度直接关系到舰船作战能力和整体效能的发挥。随着技术的不断进步，未来的舰船导航系统有望实现更高的精度和更强的适应性，以满足现代海战的复杂需求。

图1为设计的分立式舰载捷联基准系统，每一个舰载武器都配置有一个分立式的SVRU（Strapdown Vertical Reference Unit），即捷联式垂直参考单元，是一种用于确定和维持垂直参考基准的导航设备。它可以提供准确的垂直姿态信息，这些信息包括舰船或其他舰载武器的俯仰和横摇角度。

1.2 SVRU工作流程

SVRU确定和维持垂直参考基准的关键在于初始校准，从硬件组成上来看，它包含了加速度计、陀螺仪、数据处理单元以及软件算法，各部分功能主要如下：

1）加速度计：用于测量载体在垂直方向上的加速度。

2）陀螺仪：用于测量载体的角速度，从而可以计算出俯仰和横摇角度。

3）数据处理单元：处理来自传感器的数据，并应用算法来计算姿态信息。

4）软件算法：包括滤波算法和姿态解算算法，用于提高测量的准确性和可靠性。

SVRU的工作流程主要如图2所示，系统启动时，SVRU进行初始化设置，包括硬件自检、传感器校准等。这是SVRU的核心步骤之一，在完成姿态校准后，采集数据并进行调理，根据采集的数据对当前姿态进行计算，并使用误差补偿算法对计算结果进行补偿。由于舰船在航行时的运动方程较为复杂，因而需要对多类数据进行融合（GPS、磁力计等），以获得舰船不同位置更准确的姿态信息。SVRU的工作流程是连续的，需要实时处理传感器数据并更新姿态信息。这种实时性对于舰船等载体的导航和控制系统至关重要，因为它们需要快速响应姿态变化以保持精确导航。此外，SVRU的设计需要考虑到系统的可靠性和稳定性，以适应各种环境条件和操作要求。

2 基于嵌入式技术的舰船捷联控制系统基准设计方案 2.1 嵌入式硬件设计

分立式舰载捷联基准系统中的基准信息主要由3个轴向的姿态角和角速度组成，它们构成了一种完全自主的捷联式惯性导航系统。这种系统能够在陀螺仪等传感器的辅助下，进行精确的导航解算，进而增强获取舰船不同位置姿态精度的能力。作为捷联基准的核心计算单元，嵌入式单元承担着对惯性测量单元中传感器数据的采集任务，并依据这些数据以及预设的参数执行实时的导航解算。它将计算得出的导航姿态参数提供给外部系统使用。因此嵌入式单元必须能够高效地处理大量的原始数据流，其主要工作包括：

1）对惯性测量单元（IMU）中陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行预处理，以消除噪声和误差。

2）分析和融合来自卫星导航定位系统的位置信息，以增强导航解算的准确性。

3）执行复杂的导航解算，以确定载体的精确位置、速度和姿态。

4）管理与外部导航应用设备之间的数据交互，确保信息的流畅传递和同步。

根据以上分析可以发现，舰载捷联基准系统选用的嵌入式MCU必须要具备一定的处理速度、数据处理能力和系统的稳定性，以满足实时导航系统对高性能计算的需求。因此，系统采用ARM+DSP TMS320F6678的设计方案，设计的嵌入式硬件结构如图3所示。

在整个硬件设计方案中，ARM微处理器负责信号的采集，TMS320F6678则负责对采集到的数据进行计算。在信号采集端，将光纤陀螺仪、加速度计、GPS、雷达等信号进行采集，并对传感器信号进行放大、滤波等预处理后，使用A/D转换将模拟信号转换为数字信号供ARM处理器处理。ARM处理器在获得所有的传感器信号后，通过数据接口实时传输到DSP，NAND FLASH可以对这些数据进行实时存储，DSP处理器则根据姿态算法获取当前的实时状态。

2.2 闭环光纤陀螺结构

初始光纤陀螺是开环的，但是开环光纤陀螺通常无法达到闭环光纤陀螺的高精度水平，因为它容易受到各种误差源的影响，如温度漂移、偏置稳定性问题等，且由于缺乏闭环控制，开环光纤陀螺对环境因素（如温度变化、震动等）更加敏感，这可能导致性能下降，在长时间运行后会出现性能退化，需要定期校准以维持精度。因而为了提升舰船捷联基准系统的精度，需要引入反馈机制。

图4为一种闭环光纤陀螺结构，其工作过程为：闭环光纤陀螺仪的运作核心在于萨格纳克效应，该效应描述了在一封闭的光学路径内，由单一光源发出的2束特性相似的光线，它们沿着相反方向行进，并最终汇聚于同一探测点。如果存在一个相对于惯性空间的旋转动作，那么这2束光线所行经的路径长度将会产生差异，从而产生光程的差异。这种差异的大小与旋转的角速度直接成比例。从光源发出的光线被分为2路，一路沿顺时针方向在光纤环路中传播，另一路则沿逆时针方向。当这2束光线完成一周的传播并返回出发点时，如果光纤环路围绕某一垂直于其平面的轴旋转，根据萨格纳克效应，这2束光线将产生与旋转角速度成正比的相位差异。为了增强系统的敏感度，并且解决如何从输出光强中判断旋转方向的问题，系统通常会在这2束逆向传播的光线之间制造一个90°的相位偏移。通过测量这个相位差，便能够确定旋转的角速度。

此外，系统内部还包含一个反馈环节，利用相位调制器对检测到的相位差进行动态补偿，实现闭环控制。这种设计显著提升了系统的稳定性与测量精度。通过这种方式，闭环光纤陀螺仪能够提供精确的角速度测量，满足高端应用的需求。

对本文设计的闭环光纤陀螺进行零偏测试，在闭环结构下加入温度补偿后，零偏稳定性≤0.2°/h，经过反复测试后证明具有良好的重复性，如图5所示。

2.3 系统测试

对本文设计的舰船捷联控制基准系统进行测试，测试方法为：将系统布置在船舶上进行模拟测试，并将测试结果和真实角度进行比较，计算对应误差，得到如图6和图7所示的结果，结果表明，系统测试的俯仰角误差范围在±0.1°内，横摇角误差范围在±0.15°，分析原因可能是由于传感器布局以及船体结构对测量具有一定影响，且船舶行进方向有可能导致船舶横摇运动比俯仰运动更容易受到波浪影响。

根据本文的测量结果可以证明，本文设计的基于嵌入式技术的舰船捷联控制基准系统具有较高精度，虽然本文在闭环光纤陀螺中加入了温度补偿算法，但在实际使用过程中舰船捷联基准的确定对海洋环境、振动等因素仍然敏感，在构建捷联基准系统时，数据融合是未来重要的研究方向。

3 结　语

为了充分发挥舰载武器的威力和打击精度，需要对舰船不同位置的实时姿态进行测量。传统的舰船捷联控制系统无法解决舰船不同位置武器的姿态测量问题。本文提出一种基于嵌入式的舰船捷联控制系统基准设计方案，设计了硬件结构，阐述了系统中核心部件闭环光纤陀螺的工作原理，最后对系统进行了测试，测试结果表明系统具有较高的测量精度。