船載雙平臺式慣導(dǎo)加速度計零位動態(tài)標(biāo)定研究

劉 智，劉 航，吳興存

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

船載雙平臺式慣導(dǎo)加速度計零位動態(tài)標(biāo)定研究

劉 智，劉 航，吳興存

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，如果加速度零位不準(zhǔn)確便會影響到測量船精度的提高。船載情況下，船體晃動明顯，慣導(dǎo)工作環(huán)境比較惡劣且時間長，因此加速度計會出現(xiàn)精度下降甚至無法正常工作的情況。因此在更換加速度計后，需要在靜穩(wěn)定的情況下對零位進(jìn)行標(biāo)定。論述了慣導(dǎo)原理，通過對船載慣導(dǎo)工作中的具體情況以及數(shù)據(jù)的分析，提出了在某些特殊的應(yīng)急條件下，加速度計零位的動態(tài)標(biāo)定方法。實驗結(jié)果表明，該方法可靠性高，能夠滿足應(yīng)急條件下加速度計的標(biāo)定，標(biāo)定的結(jié)果滿足船載慣導(dǎo)系統(tǒng)需求。

平臺慣導(dǎo)；加速度計零位；標(biāo)定；測量船

0 引言

目前我國航天測量船為單站定位體制，船載測控設(shè)備是在動態(tài)條件下進(jìn)行的。由于載體位置和姿態(tài)處于變化當(dāng)中，必須在測量設(shè)備跟蹤被測目標(biāo)的同時，進(jìn)行同步測量載體的位置和姿態(tài)，并在甲板坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間進(jìn)行變換，才能與整個試驗航區(qū)建立聯(lián)系［1］。

因此測量船上完成船姿船位測量的設(shè)備的精度直接影響測量船的總體精度，在設(shè)備裝船以及任務(wù)中必須對其精度進(jìn)行標(biāo)定就成了關(guān)鍵［2］。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱慣導(dǎo)）是航天測量船船姿船位基準(zhǔn)測量設(shè)備。慣導(dǎo)標(biāo)校是指對慣性元件即陀螺儀和加速度計的標(biāo)度、漂移及零位等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)的過程，標(biāo)校結(jié)果的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到測量船的精度。慣導(dǎo)系統(tǒng)在更換慣性元件、部分電子線路板檢修、慣性平臺維修后，一般都需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定工作。

在慣性原件的標(biāo)定中，陀螺漂移和水平陀螺標(biāo)度等參數(shù)可在碼頭進(jìn)行自標(biāo)定，除此之外的方位陀螺大小檔標(biāo)度、加速度計零位、加速度計標(biāo)度和姿態(tài)角零位等大多參數(shù)的標(biāo)定需要在靜基座條件［2］下進(jìn)行。實際情況中，滿足靜基座條件的只有干塢坐墩標(biāo)校即塢內(nèi)標(biāo)校。如果在碼頭或海上需要更換慣性元件，不能滿足靜基座條件，慣性原件的大部分參數(shù)無法精確標(biāo)定。慣導(dǎo)的動態(tài)標(biāo)校是相對靜基座條件而言的，在碼頭、航行狀態(tài)下標(biāo)校都可稱為動態(tài)標(biāo)校。

為了解決這些問題，之前的研究中有平臺旋轉(zhuǎn)法估算加速度計零位誤差、平臺施矩法估算方位陀螺大檔標(biāo)度誤差等［3］。但是，加速度計標(biāo)度、加速度零位等參數(shù)，還沒有行之有效的、系統(tǒng)的動態(tài)標(biāo)定方法。

本文針對上述情況，研究在動態(tài)條件下加速度計零位的標(biāo)定。經(jīng)過試驗驗證，并與靜態(tài)條件下的加速度零位標(biāo)定進(jìn)行對比，其精度能夠滿足要求。

1 動態(tài)標(biāo)校的主要內(nèi)容

水平、方位電氣零位標(biāo)定一般統(tǒng)稱為姿態(tài)角電氣零位標(biāo)定，即標(biāo)定慣導(dǎo)系統(tǒng)的航向、縱搖和橫搖的電氣零值，也是全船塢內(nèi)標(biāo)校的主要項目。慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定在靜基座條件下進(jìn)行。在靜基座條件下，位置不變、速度為零，水平姿態(tài)角為接近于零的固定值，能夠排除有害加速度干擾；在碼頭條件下，位置不變，速度近似為零，但是姿態(tài)角并不是固定值，存在一定的外界加速度干擾；在海上條件速度、位置、姿態(tài)角都不是固定值，因此在動態(tài)條件下對系統(tǒng)的參數(shù)精確標(biāo)定是比較困難。

航天測量船的慣導(dǎo)系統(tǒng)為船載雙平臺系統(tǒng)，經(jīng)過較長時間校準(zhǔn)后慣導(dǎo)系統(tǒng)具有很好的短期穩(wěn)定性，因此可以使得一套慣導(dǎo)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)以作為參考基準(zhǔn)，通過動態(tài)標(biāo)定方案，推導(dǎo)出動態(tài)標(biāo)定的數(shù)據(jù)處理模型，對另一套慣導(dǎo)按設(shè)計方案進(jìn)行特定的平臺施矩控制，慣導(dǎo)顯控臺同步錄取數(shù)據(jù)，經(jīng)過對2套慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理和運算，得到被標(biāo)定慣導(dǎo)的標(biāo)定結(jié)果，實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的動態(tài)標(biāo)定。

慣導(dǎo)加速度計動態(tài)標(biāo)校要求在動態(tài)條件下加速度計零位標(biāo)定小于0.3脈沖/s。

2 加速度計零位動態(tài)標(biāo)定

2.1 加速度計零位含義及影響

加速度計零位是指慣性平臺在靜態(tài)條件下，平臺處于水平狀態(tài)，加速度回路每秒輸出的脈沖數(shù)［4］。

加速度計零位誤差主要影響慣導(dǎo)的水平精度。設(shè)ΔAy0、ΔAx0分別為北向、東向加速度計零位誤差，根據(jù)誤差理論，引起2條水平回路的穩(wěn)態(tài)誤差為：

式中，α、β為相對于大地方位正北和正東方向的傾斜量，在船搖縱搖、橫搖上的表現(xiàn)隨航向變化而變化；g為重力加速度。

2.2 加速度計零位的塢內(nèi)標(biāo)定方法

根據(jù)加速度計零位的定義，要求在靜態(tài)條件、平臺處水平狀態(tài)下，加速度計每秒輸出的脈沖數(shù)。但是在實際情況中，平臺真正的水平狀態(tài)非常困難。將平臺內(nèi)、外環(huán)用定位銷銷住固定，并用橡皮筋捆牢，將平臺臺體方位輸出撥動至0°、90°、180°和270°四個方位，然后再求平均值［5］。

加速度計零位人工標(biāo)定方法具體步驟為［6］：

①船坐墩穩(wěn)定后，系統(tǒng)加電開機(jī)，加溫，不啟動陀螺（陀螺啟動開關(guān)在斷開位置），在加速度計到溫后，停機(jī)斷電。

②去平臺上蓋，插入銷釘（粗銷）后，固定平臺或用橡皮筋綁內(nèi)、外環(huán)，開機(jī)加電，用絕緣螺絲刀撥動臺體，將方位轉(zhuǎn)到0°。

③啟動控制計算機(jī)程序。裝訂系統(tǒng)命令“14018”系統(tǒng)每100 s自動進(jìn)行加速度計零位的計算（打印脈沖數(shù)）。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄10組有效數(shù)據(jù)，取平均值做為該方向的加速度計輸出值。

④撥動臺體，進(jìn)行下一個方向上再進(jìn)行統(tǒng)計計算。

2.3 加速度計零位動態(tài)標(biāo)定原理

通過慣導(dǎo)原理分析，加速度計零位誤差將引起慣導(dǎo)系統(tǒng)的水平穩(wěn)態(tài)誤差［7］。系統(tǒng)更換加速度計后，需要對加速度計零位進(jìn)行精確標(biāo)定，而加速度計零位標(biāo)定需要在靜基座條件下進(jìn)行。測量船出于機(jī)動狀態(tài)，如果系統(tǒng)需要，或者加速度計需要更換后，船沒有進(jìn)塢條件，就只能在動態(tài)條件下對系統(tǒng)進(jìn)行水平誤差估算和加速度計零位調(diào)，也就是加速度計零位的動態(tài)標(biāo)定［8］。

利用在航天測量船上的2套獨立的慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以在動態(tài)條件下進(jìn)行加速度計零位標(biāo)定，需要將其中一套慣導(dǎo)做比對基準(zhǔn)，對另一套慣導(dǎo)進(jìn)行標(biāo)定。

根據(jù)式（1），在正常情況下慣導(dǎo)的加速度計零位誤差將引起水平姿態(tài)角誤差。從數(shù)據(jù)上分析為，船搖縱搖、橫搖的表現(xiàn)隨航向K變化而變化［9，10］。設(shè)慣導(dǎo)水平姿態(tài)沒有誤差時的真實橫搖θ真、縱搖ψ真，慣導(dǎo)正常工作狀態(tài)時，實際橫搖θ、縱搖ψ與加速度計零位引起的水平誤差α、β有以下關(guān)系：

加速度計零位動態(tài)標(biāo)度的方法為平臺旋轉(zhuǎn)法，是由人工設(shè)置、計算機(jī)控制將其中一套慣導(dǎo)平臺旋轉(zhuǎn)使其工作在“北—西—天”狀態(tài)，此狀態(tài)在慣導(dǎo)初校的第一階段。這時東向加速度計零位誤差將引起臺體南北傾斜，北向加速度計零位誤差引起臺體東西傾斜。這時船搖ψ、θ與α、β的關(guān)系為：

為了區(qū)別2種狀態(tài)下的水平姿態(tài)角，分別以下標(biāo)EN、NW表示慣導(dǎo)處于“東—北—天”（正常工作狀態(tài)）和“北—西—天”狀態(tài)的縱橫搖。若旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)1，則推到過程如下：

平臺旋轉(zhuǎn)前，2套慣導(dǎo)需要進(jìn)行綜校，使系統(tǒng)經(jīng)過較長時間的穩(wěn)定工作，漂移得到充分補(bǔ)償。這時慣導(dǎo)1和慣導(dǎo)2都處于正常工作狀態(tài)，船搖ψ、θ與α、β的關(guān)系為：

在船載平臺中，2套慣導(dǎo)的位置在裝于同一吊桶內(nèi)，2套慣導(dǎo)之間沒有變形，船搖真值相同，當(dāng)慣導(dǎo)1在正常狀態(tài)時，船搖真值的下標(biāo)記為“真EN”。同時記錄慣導(dǎo)1與慣導(dǎo)2的水平數(shù)據(jù)，做差，Δψ1EN-2=ψ1EN－ψ2、Δθ1EN-2=θ1EN－θ2，得到

另外一套慣導(dǎo)保持工作狀態(tài)，船體航向K保持不變，要求在碼頭狀態(tài)或勻速直線航行，旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)1平臺，使它工作在“北—西—天”狀態(tài)，穩(wěn)定后有：

同時記錄下2套慣導(dǎo)的水平數(shù)據(jù)，2套之間做差：Δψ1NW-2=ψ1NW－ψ2，Δθ1NW-2=θ1NW－θ2，

對Δψ1EN-2、Δψ1NW-2和Δθ1EN-2、Δθ1NW-2進(jìn)一步做差，可消除慣導(dǎo)加速度計零位誤差引起的水平誤差。得到

根據(jù)式（10）解得：

求得的α1、β1即為由平臺旋轉(zhuǎn)法求得的慣導(dǎo)1的水平誤差。

根據(jù)水平誤差角α、β，估算加速度計零位誤差ΔAx0、ΔAy0的關(guān)系式為：

式中，Jx、Jy分別為對應(yīng)東向、北向加速度計的標(biāo)度。

東向、北向加速度計新零位ΔAx0、ΔAy0計算公式為：

式中，ΔAx0、ΔAy0即為新標(biāo)定的加速度計零位；ΔAx0_old、ΔAy0_old為原加速度計零位。

2.4 加速度計零位動態(tài)標(biāo)定試驗

測量船在海上航行中，慣導(dǎo)導(dǎo)航運行后通過經(jīng)緯儀測星發(fā)現(xiàn)2套慣導(dǎo)縱橫搖有一定偏差，慣導(dǎo)1縱橫搖誤差分別為－x.45′、x.25′，慣導(dǎo)2縱橫搖誤差為－x.3′、x.1′，均不滿足要求；隨后對2套慣導(dǎo)分別進(jìn)行碼頭系泊狀態(tài)下加速度計零位動態(tài)標(biāo)定檢查，檢查發(fā)現(xiàn)慣導(dǎo)1東向加速度計變大1.5脈沖/s，北向加速度計零位變小2.1脈沖/s，慣導(dǎo)2北向加速度計零位變小1脈沖/s。針對此情況，利用靠碼頭期間，更換加速度計，利用加速度計零位動態(tài)標(biāo)定方法對2套慣導(dǎo)加速度計零位進(jìn)行了標(biāo)定，利用慣導(dǎo)2作為基準(zhǔn)對慣導(dǎo)1加速度零位進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表1所示。之后結(jié)合備件更換，以慣導(dǎo)1為基準(zhǔn)，對慣導(dǎo)2加速度計零位進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果如表2所示。

表1 慣導(dǎo)1加速度計零位動態(tài)標(biāo)定結(jié)果

表2 慣導(dǎo)2加速度計零位動態(tài)標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)以上標(biāo)定結(jié)果，裝訂新加速度計零位后，分別再進(jìn)行一輪次的檢查，發(fā)現(xiàn)2套慣導(dǎo)的“北—西—天”和“東—北—天”狀態(tài)的姿態(tài)角差穩(wěn)定，變化在0.1角分以內(nèi)，說明加速度計零位誤差在0.3個脈沖以內(nèi)。

通過試驗與數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這種動態(tài)標(biāo)定方法措施有效，能夠最大程度地滿足測量船需要。

3 結(jié)束語

針對加速度計零位對于慣導(dǎo)精度的影響進(jìn)行分析，進(jìn)而從提高測量船精度提高以及加速度計對于測量船精度的影響進(jìn)一步剖析。根據(jù)實際航天測量船環(huán)境，從慣導(dǎo)原理出發(fā)，提出了一種動態(tài)環(huán)境下標(biāo)校的方法，經(jīng)過試驗驗證該方法切實有效。該方法能夠彌補(bǔ)無法進(jìn)塢環(huán)境下，對加速度計的應(yīng)急要求，為今后測量船水平姿態(tài)精度的提高提供了有力的保障條件。

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The Research on Dynamic Calibration for Accelerometer Zero of Shipborne Double INS

LIU Zhi，LIU Hang，WU Xingcun
（China Satellite Maritime Tracking＆Control Department，Jiangyin Jiangsu 214431，China）

There aremany factors influencing themeasurementaccuracy of TT＆C ship.In the inertial navigation system（INS），if the acceleration zero is inaccurate，themeasurement precision of a ship would be affected.In marine environment，the ship often shakes seriously and INSworks in poor environment for long hours.The accelerometer accuracy degrades and even does notwork.In case of replacing the accelerometer，the ship is required to calibrate the accelerometer zero in static stability condition.Explanation of INS principle and analysis of the shipborne INS data and situation is provided.A method of dynamic calibration of accelerometer zero in emergency conditions is proposed.Experiment results show that themethod provides high stability and meet emergency conditions accelerometer calibration.Calibration results satisfy the onboard INS requirements.

INS；accelerometer zero；calibration；TT＆C ship

U666.12；V249.322

A

1003－3106（2015）09－0030－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.08

劉 智，劉 航，吳興存.船載雙平臺式慣導(dǎo)加速度計零位動態(tài)標(biāo)定研究［J］.無線電工程，2015，45（9）：30－33.

劉 智男，（1987—），工程師。主要研究方向：航天測控。

2015-05-11

劉 航男，（1987—），工程師。主要研究方向：航天測控。