撓性尋北儀調(diào)試中的誤差分析及補(bǔ)償方案

胡小兵

摘 要：撓性尋北儀是一種高精度的定向儀器，主要用來(lái)對(duì)雷達(dá)天線、軍用車輛、坦克、自行火炮以及單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等，自主提供方位信息。這種儀器能夠適應(yīng)多種環(huán)境，并能在靜態(tài)下自動(dòng)標(biāo)定出載體的方位，是一種自主式的定向設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)人員只需按照特定的通訊協(xié)議來(lái)控制尋北儀，尋北儀將給出其基準(zhǔn)邊與真北零的真實(shí)偏差角，從而為載體提供必要的方位指示?；诖?，我們就特別有必要在調(diào)試過(guò)程中去探究尋北誤差以及解決措施，也就是尋北儀的誤差分析及補(bǔ)償方案。

關(guān)鍵詞：撓性尋北儀；誤差分析；補(bǔ)償方案

引言

尋北儀主要是利用陀螺儀原理，對(duì)地球自轉(zhuǎn)角速率在正北方向的慣性進(jìn)行測(cè)量。撓性尋北儀技術(shù)目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，與其他方式的尋北儀相比，這種尋北儀具有檢測(cè)精度高、體積小、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以這種設(shè)備也被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1、尋北原理

因?yàn)閾闲詫け眱x的動(dòng)力調(diào)諧陀螺和石英加速度計(jì)的分別敏感性主要是地球自轉(zhuǎn)角速度在陀螺軸上的分量和重力加速度矢量在加速度計(jì)敏感軸上的分量，所以有必要首先介紹一下幾種坐標(biāo)系。

坐標(biāo)系介紹。如圖1所示，該圖顯示的是地球坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是地球的中心O，X軸與Y軸位于赤道平面內(nèi)，X軸指向格林尼治經(jīng)線（0度經(jīng)線），Y軸指向90度經(jīng)線，而Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸平行，這三個(gè)坐標(biāo)軸滿足右手定則，所以地球坐標(biāo)系會(huì)以地球自轉(zhuǎn)角速度相對(duì)于慣性坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示，地理坐標(biāo)系，該系的原點(diǎn)在載體的質(zhì)心，X軸與Y軸在當(dāng)?shù)氐乃矫鎯?nèi)，X軸與正東方向重合，Y軸與正北方向重合，Z軸沿著地垂線指向天，因此地理坐標(biāo)系也叫東北天坐標(biāo)系，有的資料也叫西北天坐標(biāo)系等，主要是取的方向不一樣，原理上都是相同的，三個(gè)坐標(biāo)軸都符合右手定則。

除了以上講述的二種坐標(biāo)系之外，相關(guān)工作還需要明確載體坐標(biāo)系和陀螺坐標(biāo)系。載體坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是尋北儀載體的重心，載體的縱軸方向是Y軸，右側(cè)為X軸，Z軸分別于X、Y軸垂直，并且構(gòu)成滿足右手定則的坐標(biāo)系。陀螺坐標(biāo)系的原點(diǎn)在陀螺儀的中心，陀螺的兩軸或三軸相互垂直，并且三個(gè)軸需同時(shí)滿足右手定則。

撓性尋北儀就是通過(guò)撓性陀螺及石英加速度計(jì)敏感地球的自轉(zhuǎn)角速率分量和重力加速度分量，運(yùn)用數(shù)理算法加以解算、補(bǔ)償，從而得到載體基準(zhǔn)邊與真北零之間的順時(shí)針偏差角，從而得出載體所需的真實(shí)方位。

2、誤差分析

撓性尋北儀在進(jìn)行實(shí)際工作時(shí)，無(wú)論進(jìn)行多么精準(zhǔn)的校對(duì)，依然會(huì)存在一些系統(tǒng)誤差，但是大多數(shù)人員依然會(huì)將其看作是較為理想的系統(tǒng)。比如，認(rèn)為尋北儀的轉(zhuǎn)動(dòng)部分沒(méi)有誤差、陀螺和加速度計(jì)安裝也很理想沒(méi)有交叉耦合誤差等。但實(shí)際上系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)加工、裝配、安裝等各環(huán)節(jié)都不可避免地存在誤差。一般來(lái)說(shuō)，誤差源可分為：

2.1元件誤差

這主要指陀螺和加速度計(jì)的零位漂移及刻度因素誤差，A＼D采樣誤差，各部分功能電路的漂移、噪聲等所引起的誤差。

2.2轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差

在整個(gè)尋北儀的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝過(guò)程中，必然存在陀螺儀敏感軸與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相對(duì)誤差，加速度計(jì)敏感軸與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相對(duì)誤差，系統(tǒng)安裝面與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的平行度誤差等，這些都與尋北儀傳感器組件以及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝有直接關(guān)系。

2.3物理量誤差

尋北儀對(duì)不同地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，得到的緯度值和重力加速度值很難做到精準(zhǔn)代入，所以，只能代入近似值，因此，這將會(huì)給最終的尋北結(jié)果造成影響。

2.4外界干擾

在理想狀態(tài)下，尋北儀應(yīng)當(dāng)工作在靜態(tài)條件下，但實(shí)際工作的環(huán)境下外界擾動(dòng)、強(qiáng)風(fēng)等干擾，使得工作狀態(tài)不完全為靜態(tài)。這樣就給尋北精度的準(zhǔn)確性帶來(lái)較大的誤差。所以，我們必須想辦法來(lái)克服外界干擾對(duì)尋北精度的影響。

3、誤差補(bǔ)償方案

3.1尋北儀溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償主要是對(duì)元件在不同溫度條件下性能變化對(duì)尋北精度的影響進(jìn)行補(bǔ)償。撓性陀螺和加速度計(jì)的零位溫度誤差是導(dǎo)致尋北儀在不同溫度下工作而產(chǎn)生精度誤差的主要原因。因此，為了提高尋北儀的檢測(cè)精度，就應(yīng)該重點(diǎn)解決撓性陀螺和加速度計(jì)信號(hào)的溫度誤差。溫度誤差和尋北結(jié)果是正比關(guān)系，通?？梢杂谜劬€進(jìn)行逼近補(bǔ)償，逼近補(bǔ)償?shù)木戎饕烧劬€數(shù)量決定，折線段數(shù)越高，補(bǔ)償精度越高，一般是利用數(shù)字電路對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算法補(bǔ)償。

3.2尋北儀線性度補(bǔ)償

線性度補(bǔ)償主要是對(duì)轉(zhuǎn)位誤差和物理量誤差帶來(lái)的在圓周精度上的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際的工程使用中證明，尋北儀的尋北結(jié)果誤差在一個(gè)圓周里的不同位置上呈現(xiàn)不規(guī)則的曲線。將尋北儀安裝在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上每隔一個(gè)固定角度進(jìn)行一次尋北輸出可以看出，尋北結(jié)果與轉(zhuǎn)臺(tái)的參考基準(zhǔn)值有相對(duì)誤差存在，此時(shí)尋北儀的線性度補(bǔ)償就顯得十分重要。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定出這個(gè)誤差值，并將其連成一條光滑的曲線。經(jīng)過(guò)多次圓周數(shù)據(jù)提取實(shí)驗(yàn)后將各次圓周曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，盡管每次的曲線不盡相同，但是它們的變化趨勢(shì)是一樣的。將多條誤差曲線疊畫在一起，取各點(diǎn)的中值，可以得到一條近似的趨勢(shì)線，再對(duì)擬合的趨勢(shì)線進(jìn)行特定算法擬合，得到一條較為理想的離散擬合曲線，該曲線盡量擬合成一條水平直線，這樣的圓周線性度的絕對(duì)誤差才能控制在合理的理想范圍內(nèi)，才能滿足用戶的實(shí)際使用要求。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性的補(bǔ)償

環(huán)境適應(yīng)性的補(bǔ)償就是所說(shuō)的對(duì)外界干擾誤差的補(bǔ)償。為提高尋北儀的環(huán)境適應(yīng)性，我們通?？紤]的是通過(guò)結(jié)構(gòu)減震、解調(diào)回路帶寬的合理化調(diào)整以及算法上的相應(yīng)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)上述三種方式的處理，能較好地提高尋北儀對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的要求，而要根本解決尋北儀的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，還得從算法上入手，引入慣導(dǎo)算法，將傳統(tǒng)的靜態(tài)尋北改為動(dòng)態(tài)尋北，該方面的工作已取得實(shí)際應(yīng)用的成功。

結(jié)來(lái)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)撓性尋北儀調(diào)試過(guò)程的誤差分析和補(bǔ)償，對(duì)尋北儀的精度有了較大的提升。尋北儀未來(lái)會(huì)朝著小型化、系統(tǒng)化、高精度的方向發(fā)展，同時(shí)也會(huì)滿足現(xiàn)階段各項(xiàng)工作的主要需求。今后的尋北儀在提高尋北精度的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)一步縮短尋北時(shí)間，提高尋北儀對(duì)外界環(huán)境的抗干擾能力。未來(lái)，相關(guān)工作人員需要進(jìn)一步研究陀螺和加速度計(jì)的抗干擾能力，進(jìn)而不斷提高尋北精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈智學(xué)，張小凱，任佳婧.撓性陀螺尋北儀解算方法研究[J].航天控制，2017，35（01）：82-85.

[2]卜繼軍，魏貴玲，李勇健.陀螺尋北儀二位置尋北方案[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，19（3）：46_49.

[3]吳學(xué)強(qiáng).撓性尋北儀的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.