陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究

付永杰

（92493 部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000）

1 引 言

陀螺尋北儀由高精度雙軸動(dòng)力調(diào)諧陀螺測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速度，自主確定所附載體的真北方向值［1］。 按照陀螺儀原理，它能根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量自動(dòng)尋找并跟蹤地理北向，并能夠精確測(cè)定地面點(diǎn)的方位角。 與傳統(tǒng)北向儀器陀螺羅經(jīng)和磁羅盤相比，其具有全天候，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、自主定向精度高、定向速度快、使用簡(jiǎn)單方便，便于攜帶的優(yōu)勢(shì)［2］。 陀螺尋北儀主要應(yīng)用于雷達(dá)、天線、軍用車輛初始對(duì)準(zhǔn)和方向控制。 由于陀螺尋北儀是用于定向的儀器，其尋北精度是陀螺尋北儀最主要的技術(shù)指標(biāo)。 目前，關(guān)于陀螺尋北儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。 各研制單位和生產(chǎn)廠家均是采用自行編制的單項(xiàng)專用或野外方法進(jìn)行測(cè)試評(píng)估［3］。目前，國(guó)內(nèi)外有一些陀螺尋北儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建立北向方位角基準(zhǔn)。 其主要方法是在地面建立兩個(gè)大地測(cè)量點(diǎn)，按照大地測(cè)量的方法埋設(shè)地標(biāo)，形成一條方位基準(zhǔn)邊或通過平行光管或平面鏡將標(biāo)準(zhǔn)引出［4］。 國(guó)外如：英國(guó)諾丁漢大學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室建立了長(zhǎng)為43.136m 的基線，兩端埋設(shè)了十分堅(jiān)固的基石，將室外已知天文方位角傳遞到這條基線上，為陀螺儀檢測(cè)和儀器常數(shù)的標(biāo)定提供了一個(gè)理想的條件。 德國(guó)GYROMAT2000 陀螺尋北儀也建有相應(yīng)定向精度校準(zhǔn)裝置。 在國(guó)內(nèi)，西安測(cè)繪研究所也建有陀螺尋北儀校準(zhǔn)裝置［5］。 北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所也有陀螺經(jīng)緯校準(zhǔn)裝置，它是用一個(gè)平行光管作為北向方位角。 北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所建立的北向基準(zhǔn)，采用平面鏡與平行光管集成到一個(gè)墩上的方案，來實(shí)現(xiàn)陀螺尋北儀的尋北精度校準(zhǔn)。 在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)基巖墩，在基巖墩上安放平行光管或者平面鏡，再對(duì)其進(jìn)行引北賦值的方法，精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，但是無法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。 現(xiàn)在使用中的大部分陀螺尋北儀安裝在車輛上，不能卸載下來。

本文提出了一種陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，解決陀螺尋北儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題。

2 陀螺尋北儀校準(zhǔn)原理

2.1 基本術(shù)語

天文方位角：過某點(diǎn)的重力線在大地水準(zhǔn)面上的交點(diǎn)的天文子午面到過該交點(diǎn)的重力切線和過另一點(diǎn)的重力線的大地水準(zhǔn)面上的交點(diǎn)所組成的平面的夾角［6］。

儀器常數(shù)：陀螺經(jīng)緯儀陀螺軸穩(wěn)定位置的子午面與地面的交線與真子午線的夾角［6］。

尋北時(shí)間：從啟動(dòng)陀螺電機(jī)到顯控裝置顯示出真北方向的時(shí)間［7］。

尋北重復(fù)性是以陀螺經(jīng)緯儀一測(cè)回定向標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來評(píng)定的。 尋北精度由尋北重復(fù)性定義［8］。

2.2 使用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

陀螺尋北儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備主要是方位角標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)器。 方位角標(biāo)準(zhǔn)一般用已經(jīng)進(jìn)行引北賦值的平行光管或平面鏡組成，方位角測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于儀器標(biāo)稱值的1／4。 計(jì)時(shí)器一般用秒表，秒表分辨率≤1s。

2.3 校準(zhǔn)項(xiàng)目

陀螺尋北儀的校準(zhǔn)項(xiàng)目主要包括儀器常數(shù)、尋北重復(fù)性（即尋北儀精度）和尋北時(shí)間。

2.4 工作原理

陀螺尋北儀的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)采用直接測(cè)量法進(jìn)行［6］。

1）儀器常數(shù)

陀螺經(jīng)緯儀的儀器常數(shù)在方位角標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行校準(zhǔn)。 將儀器安裝在工作臺(tái)上，精確整平，使陀螺經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與方位目標(biāo)精確瞄準(zhǔn)或準(zhǔn)直，進(jìn)行尋北觀測(cè)，獲得方位角測(cè)量值A(chǔ)1，此為一次測(cè)量，按照上述操作至少進(jìn)行6 次獨(dú)立測(cè)量，分別得方位角測(cè)量值A(chǔ)i。 按式（1）計(jì)算儀器常數(shù)為

式中：Δ——儀器常數(shù)，（o′″）；Ai——第i 次方位角測(cè)量值，（°′″）；A0——方位角標(biāo)準(zhǔn)值，（°′″）；n——測(cè)量次數(shù)（i ＝1，2，…，n）。

2）尋北重復(fù)性

在儀器常數(shù)校準(zhǔn)結(jié)束后，按式（2）計(jì)算尋北重復(fù)性

式中：s——尋北重復(fù)性，（″）；Ai——第i 次方位角測(cè)量值，（″）；——n 次方位角測(cè)量值的平均值，（″）。

計(jì)算得的尋北重復(fù)性即是設(shè)備的尋北精度。

3）尋北時(shí)間

在儀器常數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，用計(jì)時(shí)器記錄尋北開始到顯示真北方向的時(shí)間，取多次測(cè)量時(shí)間的最大值作為尋北時(shí)間T。

3 陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

陀螺尋北儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)采用傳遞比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。 使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備主要有高精度陀螺經(jīng)緯儀、平行光管、北向基準(zhǔn)引出塊和秒表組成。 其中高精度陀螺經(jīng)緯儀用于產(chǎn)生北向基準(zhǔn)。 平行光管經(jīng)高精度陀螺經(jīng)緯儀賦值后，可以作為帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀方位角標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也作為北向傳遞途徑。 北向基準(zhǔn)引出塊由測(cè)量基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)引出平面鏡構(gòu)成，作為無瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀方位角標(biāo)準(zhǔn)。 秒表用來測(cè)量尋北時(shí)間。

首先，用實(shí)驗(yàn)室陀螺尋北儀校準(zhǔn)裝置，對(duì)高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后，利用校準(zhǔn)后的高精度陀螺經(jīng)緯儀作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)平行光管進(jìn)行引北賦值，利用平行光管為北向傳遞途徑，采用與北向光管平行的基準(zhǔn)面將北向基準(zhǔn)引入到基準(zhǔn)面上實(shí)現(xiàn)與被測(cè)陀螺尋北儀的基準(zhǔn)對(duì)齊，平行光管和基準(zhǔn)面作為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)的方位角標(biāo)準(zhǔn)，用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)陀螺尋北儀。 陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置中的方位角標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引北賦值，再用賦值后的方位角標(biāo)準(zhǔn)作為北向基準(zhǔn)，校準(zhǔn)車載陀螺尋北儀。

現(xiàn)有陀螺尋北儀主要有兩類，一類是帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀，另一類是不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀［9］。

1）帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

用高精度陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，對(duì)平行光管進(jìn)行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準(zhǔn)。 高精度陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量方位角值α，把高精度陀螺經(jīng)緯儀從基座上取下來，把被測(cè)的陀螺尋北儀放在基座上，用被測(cè)陀螺尋北儀測(cè)量方位角值α1，由式（2）計(jì)算尋北精度。 測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Field calibration principle diagram of the gyro north finder with sight

2）不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

用高精度陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，對(duì)平行光管進(jìn)行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準(zhǔn)，通過北向基準(zhǔn)引出塊引出平面將平行光管的北向光軸引出變成被測(cè)陀螺尋北儀的可測(cè)基準(zhǔn)，當(dāng)帶有側(cè)面基準(zhǔn)的被測(cè)陀螺尋北儀靠緊北向基準(zhǔn)引出塊引出平面后即可確定被測(cè)陀螺尋北儀的北向方位角值α1，由式（2）計(jì)算尋北精度。 測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Field calibration principle diagram of the gyro north finder without sight

4 陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法測(cè)量結(jié)果不確定度分析

采用本文提出的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，由高精度陀螺尋北儀、平行光管、北向基準(zhǔn)引出塊組成的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，根據(jù)其測(cè)量原理，測(cè)量不確定度來源如下。

1）選用北京博飛GTS－1 高精度陀螺經(jīng)緯儀作為北向傳遞標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后，該設(shè)備北向定向的誤差引起的不確定度為u1＝10.0″；

2）選用平面度為0.2μm 平面鏡作為基準(zhǔn)引出平面鏡，由基準(zhǔn)引出平面鏡平面度及平行度引起的不確定度為u2＝5.0″；

3）選用焦距為550mm 的平行光管作為方位角標(biāo)準(zhǔn)，由平行光管瞄準(zhǔn)誤差引起的不確定度為u3＝1.0″；

4）由平行光管與基準(zhǔn)平面鏡測(cè)量及調(diào)整不平行的誤差引入的不確定度u4＝6.0″；

5）除上述這些影響測(cè)量精度的主要因素外，還有由于放置方式等因素引起的測(cè)量不確定度，該項(xiàng)不確定度為u5＝2″。

擴(kuò)展不確定度為U ＝2uC＝12.8″×2 ＝26″（k ＝2）。

經(jīng)測(cè)量不確定度分析與評(píng)定，用提出的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置，可校準(zhǔn)尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀。 在實(shí)際應(yīng)用中，通過提高傳遞用高精度陀螺經(jīng)緯儀的技術(shù)指標(biāo)，可以提高該方法的測(cè)量精度。

5 結(jié)束語

本文提出的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，采用比較測(cè)量方法，用高精度陀螺尋北儀作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)方位角基準(zhǔn)平行光管和平面鏡進(jìn)行引北賦值，可實(shí)現(xiàn)帶瞄準(zhǔn)鏡和不帶瞄準(zhǔn)鏡的尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，解決了車載陀螺尋北儀無法現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的問題。 實(shí)踐證明，該方法在陀螺尋北儀尋北儀精度的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)有較好的應(yīng)用前景。