慣導(dǎo)尋北裝置校準(zhǔn)方法

黃運(yùn)來 范洪志 劉雅慶 馮繼偉

(1. 63981部隊(duì)，武漢 430311；2. 71426部隊(duì)，焦作 454000)

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慣導(dǎo)尋北裝置校準(zhǔn)方法

黃運(yùn)來1范洪志1劉雅慶2馮繼偉1

(1. 63981部隊(duì)，武漢 430311；2. 71426部隊(duì)，焦作 454000)

針對(duì)慣導(dǎo)尋北裝置無檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范的狀況，提出一種利用陀螺經(jīng)緯儀與經(jīng)緯儀組合測(cè)量比對(duì)的方法。文章闡述了校準(zhǔn)原理，分儀器架設(shè)、尋北測(cè)量、目標(biāo)定向、校準(zhǔn)對(duì)象尋北、結(jié)果比對(duì)五個(gè)步驟詳細(xì)介紹了校準(zhǔn)方法，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出部分注意事項(xiàng)，以方便推廣使用。

慣導(dǎo)尋北；校準(zhǔn)方法；陀螺經(jīng)緯儀；不確定度

0 引言

慣導(dǎo)尋北裝置是一種定向的導(dǎo)航設(shè)備，為用戶載體實(shí)時(shí)提供方向和位置信息，引導(dǎo)車輛行駛到指定位置。它具有全自主式定向功能，在惡劣的野戰(zhàn)環(huán)境和強(qiáng)電磁波干擾中，能夠完全正常工作。定期進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試，是保證武器裝備發(fā)揮最大效能的重要保證。由于該裝置屬于專用設(shè)備，目前暫無有效的檢定規(guī)程可以遵循，對(duì)慣導(dǎo)尋北裝置進(jìn)行校準(zhǔn)有著迫切的實(shí)踐需求。

1 校準(zhǔn)原理

慣導(dǎo)尋北裝置校準(zhǔn)原理如圖1所示，慣導(dǎo)尋北裝置啟動(dòng)預(yù)熱后，自動(dòng)進(jìn)行7次尋北，求取中間誤差。當(dāng)中間誤差小于等于3.6′，可以進(jìn)行校準(zhǔn)，否則說明慣導(dǎo)尋北裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，需要進(jìn)行檢修。7次尋北取平均值，作為最終尋北結(jié)果，尋北結(jié)果表示目標(biāo)線順時(shí)針與真北方向的夾角。

圖1 慣導(dǎo)尋北裝置校準(zhǔn)原理

慣導(dǎo)尋北裝置專用校準(zhǔn)系統(tǒng)由陀螺經(jīng)緯儀、經(jīng)緯儀和控制器等組成，先用陀螺經(jīng)緯儀與控制器組合來實(shí)現(xiàn)自主尋北，完成真北方向測(cè)量，然后測(cè)量、計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)線順時(shí)針與真北方向的夾角。陀螺經(jīng)緯儀接受控制器的控制，通過敏感地球自轉(zhuǎn)角速度，確定真北方向。陀螺經(jīng)緯儀通過光電傳感器檢測(cè)陀螺的擺幅信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出給控制器?？刂破魇菍け倍ㄏ蚩刂圃O(shè)備，其主要功能是完成對(duì)陀螺經(jīng)緯儀供電、尋北及各項(xiàng)功能控制，完成尋北信號(hào)的解算和對(duì)外數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。經(jīng)緯儀主要與陀螺經(jīng)緯儀組合實(shí)現(xiàn)對(duì)瞄及瞄準(zhǔn)目標(biāo)線上兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，完成方位角輸出。

將慣導(dǎo)尋北裝置得到的真北方位角與慣導(dǎo)尋北裝置專用校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量出的真北方位角進(jìn)行比較，完成校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 儀器架設(shè)

取出陀螺經(jīng)緯儀、經(jīng)緯儀，按照?qǐng)D2所示進(jìn)行儀器架設(shè)。

圖2 儀器架設(shè)示意圖

陀螺經(jīng)緯儀與經(jīng)緯儀之間的連線為基準(zhǔn)線，待定目標(biāo)線段(目標(biāo)1、2連線)與基準(zhǔn)線所夾銳角應(yīng)小于10°。面對(duì)待定目標(biāo)線，待定目標(biāo)線左端點(diǎn)稱為目標(biāo)1，右端點(diǎn)稱為目標(biāo)2，待定目標(biāo)線段長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于7m，陀螺經(jīng)緯儀與經(jīng)緯儀之間的距離應(yīng)大于或等于30m，目標(biāo)1與目標(biāo)2離基準(zhǔn)線距離都應(yīng)在10m左右。面對(duì)待定目標(biāo)線，陀螺經(jīng)緯儀要架設(shè)在左側(cè)，經(jīng)緯儀架設(shè)在右側(cè)。陀螺經(jīng)緯儀和目標(biāo)1之間測(cè)連線與基準(zhǔn)線所夾銳角要小于50°，經(jīng)緯儀和目標(biāo)2之間的連線與基準(zhǔn)線所夾銳角也要小于50°。

設(shè)備擺放到固定位置后，進(jìn)行固定并調(diào)平，轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀三只水平調(diào)整旋鈕，以經(jīng)緯儀上水準(zhǔn)器為基準(zhǔn)調(diào)平，調(diào)平后應(yīng)將經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)180°檢查水準(zhǔn)器是否水平，如出現(xiàn)偏差，應(yīng)對(duì)水準(zhǔn)器進(jìn)行檢定，保證360°范圍內(nèi)水準(zhǔn)器偏移量最大不超過±1格，調(diào)平及檢定方法詳見經(jīng)緯儀的使用說明書。調(diào)平后，連接好相應(yīng)線纜，打開相應(yīng)軟件。

2.2 尋北測(cè)量

接通電源，將控制器開機(jī)，輸入當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，用陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)目標(biāo)1，啟動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀電機(jī)，待電機(jī)穩(wěn)定后，可以進(jìn)行尋北測(cè)量。

1)開鎖：按照陀螺經(jīng)緯儀外殼上的鎖放提示，平穩(wěn)、勻速的順時(shí)針(從上往下看)轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊手輪到底。此時(shí)陀螺靈敏部被釋放，處于懸掛狀態(tài)。

2)阻尼限幅：觀察控制器顯示的陀螺的擺動(dòng)方向及擺動(dòng)值，如向負(fù)方向擺動(dòng)，若希望減緩?fù)勇菹蜇?fù)方向擺動(dòng)的速度，可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼手輪，若希望增大陀螺向負(fù)方向擺動(dòng)的速度，可逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼手輪，反之亦然。反復(fù)調(diào)節(jié)阻尼手輪，使陀螺靈敏部擺動(dòng)的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)在±80′～±120′范圍內(nèi)，按控制器“確認(rèn)”鍵，陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)入尋北測(cè)量采集階段。

3)粗尋北：待尋北測(cè)量數(shù)據(jù)采集完成后，在控制器上會(huì)提示陀螺經(jīng)緯儀與真北方向的角度差，旋動(dòng)鎖緊手輪，將陀螺靈敏部托起。轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)儀至控制器提示的角度值，再轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀方位手輪，至陀螺經(jīng)緯儀重新瞄準(zhǔn)目標(biāo)1。

4)精尋北：粗尋北結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)入精尋北，重復(fù)步驟1)和2)，觀察控制器采集的數(shù)據(jù)絕對(duì)值是否小于1′，小于1′則表示精尋北完成，否則重復(fù)步驟3)。精尋北結(jié)束后，立即鎖緊陀螺，關(guān)閉陀螺電機(jī)開關(guān)。

2.3 目標(biāo)定向

陀螺經(jīng)緯儀尋北測(cè)量完成后，操作控制器，進(jìn)入目標(biāo)定向程序，此時(shí)要求，陀螺經(jīng)緯儀與經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)緯儀固定不動(dòng)并打開準(zhǔn)直，調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)，陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)經(jīng)緯儀鏡筒中的紅色十字線；然后陀螺經(jīng)緯儀固定不動(dòng)并打開準(zhǔn)直，調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)，經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀鏡筒中的紅色十字線，如此反復(fù)幾次，直至對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)完成后，控制器讀取陀螺經(jīng)緯儀與經(jīng)緯儀的水平角度值和高低角度值，進(jìn)入測(cè)量目標(biāo)1程序，轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀和經(jīng)緯儀，同時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)1，對(duì)好后，控制器讀取陀螺經(jīng)緯儀和經(jīng)緯儀的水平角度值和高低角度值；接著進(jìn)入測(cè)量目標(biāo)2程序，轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀和經(jīng)緯儀，同時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)2，對(duì)好后，控制器讀取陀螺經(jīng)緯儀和經(jīng)緯儀的水平角度值和高低角度值。目標(biāo)2測(cè)量完成后，控制器將根據(jù)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)結(jié)算出待定目標(biāo)線段(目標(biāo)1、2連線)與北向的夾角。

2.4 校準(zhǔn)對(duì)象尋北

按照使用說明書的要求打開慣導(dǎo)尋北裝置，預(yù)熱完成進(jìn)行尋北，尋北值為目標(biāo)線段與北向的夾角，每次尋北值都傳送給控制器，進(jìn)行7次尋北后，求取中間誤差，當(dāng)中間誤差小于3.6′時(shí)，可以進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。計(jì)算出7次尋北的均值，作為慣導(dǎo)尋北裝置的尋北值。

2.5 結(jié)果比對(duì)

尋北均值與標(biāo)準(zhǔn)尋北值比較，當(dāng)小于3.6′，則滿足使用要求；尋北均值與標(biāo)準(zhǔn)尋北值比較，大于3.6′，小于7.2′時(shí)，可限制使用；尋北均值與標(biāo)準(zhǔn)尋北值比較，大于7.2′時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)修正。

3 不確定度分析

3.1 A類評(píng)定

對(duì)某一固定的目標(biāo)線段，在同等條件下重復(fù)測(cè)量6次，得到6組數(shù)據(jù)如下：112°28′31″,112°28′25″,112°28′16″,112°28′15″,112°28′24″,112°28′18″，根據(jù)貝塞爾法，用下式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

通過對(duì)6組數(shù)據(jù)計(jì)算，A類評(píng)定不確定度為：

3.2 B類評(píng)定

經(jīng)緯儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

3.3 不確定度合成

通過以上A類方法評(píng)定和B類方法評(píng)定，

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

擴(kuò)展不確定度：

U=kuc=84″(k=2,φ=53°)

4 校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

1)陀螺經(jīng)緯儀作為高精度精密測(cè)量設(shè)備，應(yīng)嚴(yán)格按照使用說明操作，操作人員需要熟練掌握操作技能，特別是阻尼限幅中，如果操作不熟練、限幅時(shí)間過長(zhǎng)，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)異常，這時(shí)需重新擰緊陀螺經(jīng)緯儀鎖緊手輪，關(guān)機(jī)重新開始。

2)校準(zhǔn)過程中，應(yīng)高度注意陀螺經(jīng)緯儀的操作。當(dāng)陀螺靈敏部處于下放狀態(tài)時(shí)，陀螺靈敏部的重量完全由吊絲承擔(dān)，由于吊絲為一粗細(xì)相當(dāng)于頭發(fā)的金屬絲，此時(shí)移動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，吊絲將會(huì)斷裂損壞。因此，當(dāng)陀螺靈敏部處于懸掛狀態(tài)時(shí)，嚴(yán)禁關(guān)閉陀螺電機(jī)或移動(dòng)陀螺羅盤，在移動(dòng)或撤收陀螺經(jīng)緯儀之前，應(yīng)首先檢查緊鎖手輪是否鎖緊。

3)定向?qū)け边^程中，周圍不應(yīng)有沖擊、振動(dòng)，一旦遇到意外情況，首先將鎖緊手輪鎖緊，然后切斷電源。

5 結(jié)束語

本文概述了一種慣導(dǎo)尋北裝置校準(zhǔn)方法，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)和使用，獲得很好的應(yīng)用效果，同時(shí)也被有關(guān)專家和技術(shù)人員認(rèn)可和采納。由于被校對(duì)象復(fù)雜，涉及操作設(shè)備多，整個(gè)校準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)，還需進(jìn)一步摸索總結(jié)規(guī)律，以提高校準(zhǔn)效率。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.15