基于高速火箭橇測(cè)速系統(tǒng)的誤差分析

唐瑞　姚冉中

摘 要： 火箭橇速度測(cè)試系統(tǒng)是火箭橇試驗(yàn)的核心組成部分，該系統(tǒng)提供火箭橇運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的速度-位置關(guān)系、時(shí)間-位置關(guān)系和加速度-時(shí)間關(guān)系等火箭橇核心運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為了滿足目前慣導(dǎo)系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的火箭橇動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，重點(diǎn)討論了火箭橇測(cè)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)其系統(tǒng)精度做出詳細(xì)誤差分析。分析找出影響系統(tǒng)誤差的主要因素，為后期進(jìn)一步提高火箭橇測(cè)速系統(tǒng)的精度提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵字： 速度測(cè)試系統(tǒng)； 慣性導(dǎo)航； 誤差分析； 火箭橇

中圖分類號(hào)： TN820.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0103?03

Abstract： Velocity test system is an important part of the rocket sled test. The system provides the rocket sled motion data of speed?location， time?position and acceleration?time relationship in the whole process of rocket sled. In order to meet the needs of dynamic calibration test for inertial navigation system and Beidou navigation system， the composition structure and precision analysis of velocity test system are discussed emphatically. The main factors of error formation were found out by the aid of analysis， which provided a theoretical basis for further precision improvement of the rocket sled velocity test system.

Keywords： velocity test system； inertial navigation system； error analysis； rocket sled

0 引 言

隨著我國(guó)武器裝備現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)慣性測(cè)量裝置動(dòng)態(tài)精度、大過(guò)載下適應(yīng)性和可靠性等方面也提出了更高的要求。為滿足武器系統(tǒng)精確制導(dǎo)、精確打擊的要求，適應(yīng)現(xiàn)代化的新軍事變革，驗(yàn)證慣導(dǎo)系統(tǒng)地面試驗(yàn)與天上飛行的一致性，完善慣導(dǎo)系統(tǒng)地面試驗(yàn)方法越來(lái)越迫切[1]。對(duì)慣性儀表及慣性系統(tǒng)的使用精度進(jìn)行地面標(biāo)定試驗(yàn)及綜合性能評(píng)估有許多方法，如重力場(chǎng)翻滾試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、火箭橇試驗(yàn)等。在這些試驗(yàn)中，能提供最為接近真實(shí)飛行環(huán)境特別是火箭或?qū)椫鲃?dòng)段力學(xué)環(huán)境的方法就是火箭橇試驗(yàn)[2]。

火箭橇試驗(yàn)是指將試驗(yàn)件安裝在專用滑車上，用固體或液體發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，沿高精度軌道高速滑行的試驗(yàn)，具有產(chǎn)生大過(guò)載、高速度和沖擊等綜合條件的能力，可以最逼真地模擬導(dǎo)彈真實(shí)飛行環(huán)境?；鸺猎囼?yàn)早已列入美國(guó)慣導(dǎo)系統(tǒng)的試驗(yàn)大綱作為地面試驗(yàn)的最后階段，并規(guī)定通過(guò)火箭橇試驗(yàn)后慣導(dǎo)系統(tǒng)才能進(jìn)行飛行試驗(yàn)[3]。

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的地面試驗(yàn)中，火箭橇試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)速系統(tǒng)能夠相對(duì)精確地提供滑車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)間?位置關(guān)系。火箭橇測(cè)速系統(tǒng)提供的滑車位置信息由傳感器安裝位置實(shí)測(cè)得出，對(duì)比慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的速度和位置信息由陀螺和加速度計(jì)解算得出，其位置精度更高也更具可測(cè)性。

通過(guò)對(duì)火箭橇測(cè)速系統(tǒng)的誤差分析， 找到了影響測(cè)速系統(tǒng)誤差的因素。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，最大程度地減小測(cè)速系統(tǒng)的誤差，從而滿足高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)火箭橇校準(zhǔn)試驗(yàn)對(duì)速度測(cè)試的要求。本文著重討論了火箭橇測(cè)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)該系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 火箭橇測(cè)速系統(tǒng)原理

火箭橇測(cè)速系統(tǒng)采用非接觸式磁電感應(yīng)法進(jìn)行速度測(cè)試，其原理如下：

沿火箭橇副軌側(cè)間隔一定距離安裝雙度霍爾開關(guān)傳感器，在火箭橇橇體側(cè)面安裝一塊永磁鋼。當(dāng)火箭橇運(yùn)行時(shí)，永磁鋼的磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)一個(gè)霍爾開關(guān)傳感器，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，利用數(shù)采器記錄下火箭橇運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)各個(gè)霍爾開關(guān)傳感器的時(shí)刻，并送至存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。事后經(jīng)過(guò)判讀各個(gè)脈沖的間隔時(shí)間即可得到火箭橇運(yùn)行在各個(gè)霍爾傳感器之間的時(shí)間[ΔT；]測(cè)量相鄰傳感器之間的距離[ΔS，]即可計(jì)算出火箭橇經(jīng)過(guò)相鄰兩傳感器之間的平均速度[V=ΔSΔT，]再加上時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)便可獲得火箭橇運(yùn)行的時(shí)空位置。

2 影響速度誤差的因素

由于物體運(yùn)動(dòng)的速度是一個(gè)不可直接測(cè)量的值，根據(jù)速度的計(jì)算公式，速度的誤差取決于傳感器間隔兩點(diǎn)的距離誤差和計(jì)時(shí)器產(chǎn)生的記錄相鄰兩傳感器產(chǎn)生脈沖時(shí)刻的誤差。故對(duì)襄北測(cè)速系統(tǒng)產(chǎn)生的速度誤差作出如下分析：

2.1 決定相鄰兩傳感器距離[ΔS]誤差因素

（1） 相鄰傳感器之間的距離測(cè)量誤差。精確測(cè)量相鄰兩個(gè)霍爾傳感器探頭之間的距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。使用硬性鋼尺可以把測(cè)距精度控制在0.001 m。

（2） 傳感器殼體安裝的誤差。只有當(dāng)相鄰兩傳感器殼體的上表面在同一水平面的時(shí)候，才能保證相鄰兩個(gè)霍爾器件在同一水平高度，測(cè)出的兩霍爾器件間直線距離才更準(zhǔn)確。目前傳感器殼體的安裝誤差通過(guò)器具校準(zhǔn)可以控制在0.002 m。

（3） 霍爾開關(guān)傳感器感應(yīng)磁場(chǎng)的位置誤差。根據(jù)永磁體磁力線的分布，永磁鐵的前端是一個(gè)發(fā)散的閉合磁場(chǎng)，那就意味著，當(dāng)永磁鐵還未運(yùn)動(dòng)到霍爾器件的正上方時(shí)，霍爾器件就會(huì)提前感受到磁場(chǎng)，使之觸發(fā)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，永磁鐵運(yùn)動(dòng)和霍爾傳感器的響應(yīng)位置存在如圖1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

對(duì)比圖1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在磁鐵與霍爾傳感器垂直距離為25～35 mm時(shí)，傳感器對(duì)磁鐵的水平響應(yīng)距離基本一致。即當(dāng)傳感器的安裝高度精確控制在與永磁鐵下表面的垂直距離為25～35 mm的范圍內(nèi)時(shí)，傳感器的位置響應(yīng)誤差可以控制在0.5 mm以內(nèi)。

2.2 決定火箭橇通過(guò)相鄰兩傳感器計(jì)時(shí)誤差[ΔT]的因素

（1） 軟件判讀時(shí)間數(shù)據(jù)的誤差

數(shù)據(jù)采集器記錄下滑車經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，試驗(yàn)后軟件判讀脈沖信號(hào)跳變時(shí)的時(shí)刻即為滑車經(jīng)過(guò)該傳感器時(shí)的時(shí)刻。軟件判讀時(shí)間數(shù)據(jù)的誤差與通道的采樣率設(shè)置有關(guān)，當(dāng)通道采樣率為10 K時(shí)，時(shí)間判讀誤差可以控制在10?5 s；

（2） 數(shù)據(jù)采集器本身固有的時(shí)間精度

使用的NICOLET visionXP數(shù)據(jù)采集器時(shí)基精度為10-7 s。

3 速度誤差的理論計(jì)算

火箭橇在滑軌上運(yùn)行，其物理狀態(tài)為火箭橇在滑軌上做變速直線運(yùn)動(dòng)，變速運(yùn)動(dòng)中的平均速度只有指明哪一段距離或時(shí)間內(nèi)才有意義。平均速度只能粗略反映火箭橇在某段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能描述它在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4 火箭橇速度測(cè)試精度與測(cè)時(shí)精度的關(guān)系

根據(jù)速度誤差的理論計(jì)算公式，分別計(jì)算出某一速度誤差范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)使用數(shù)據(jù)采集器所需要的時(shí)間精度。

由表1和表2分析可知，要高精度的測(cè)量火箭橇速度，有兩個(gè)關(guān)鍵條件：

（1） 霍爾傳感器感應(yīng)位置精度高（安裝位置坐標(biāo)精確，感應(yīng)信號(hào)位置精確）；

（2） 霍爾傳感器感應(yīng)信號(hào)測(cè)時(shí)精度高（霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)傳輸延遲一致性高、數(shù)據(jù)采集器的測(cè)時(shí)精度高和時(shí)統(tǒng)授時(shí)精度高）。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前位于中國(guó)航空救生試驗(yàn)基地的火箭橇試驗(yàn)測(cè)速系統(tǒng)，測(cè)時(shí)精度能夠達(dá)到10-5 s，即10 μs級(jí)別。那么火箭橇在340 m/s的運(yùn)動(dòng)速度下，測(cè)速誤差可以達(dá)到±0.3 m/s；在680 m/s的運(yùn)動(dòng)速度下，測(cè)速誤差可以達(dá)到±0.5 m/s。

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的誤差分析，滿足高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)火箭橇動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，進(jìn)一步提高目前火箭橇測(cè)速系統(tǒng)精度是我們今后工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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