航向陀螺漂移誤差快速測試方法研究

陳池禮/成都國營錦江機(jī)器廠

0 引言

傳統(tǒng)的航向設(shè)備主要由感應(yīng)式磁傳感器、機(jī)械式航向陀螺和協(xié)調(diào)放大器等組成，最終通過航向陀螺輸出航向信號，航向指示器接收該信號實(shí)時指示飛行器的航向角度，飛控系統(tǒng)接收該信號控制飛行器按預(yù)定航向飛行。根據(jù)航向設(shè)備的工作原理，航向陀螺的輸出精度直接受制于自身漂移誤差的影響，因此，航向陀螺的漂移誤差一直是航向設(shè)備的主要性能指標(biāo)，需要在維護(hù)和修理時重點(diǎn)關(guān)注。

由于傳統(tǒng)測試技術(shù)和測量儀器的限制，想要快速完成航向陀螺漂移誤差的測試往往比較困難，目前為止最主要的方法仍然是通過測量航向設(shè)備在0°、90°、180°和270°四個方位工作30min或1h 后航向指示器指示的變化量大小來確定漂移誤差是否合格。若不合格，調(diào)整產(chǎn)品后再重新測量，非常耗時耗力。能否利用先進(jìn)的儀器與測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)航向陀螺漂移誤差的快速測試是本文研究探討的目的。

1 航向陀螺漂移誤差原理

航向系統(tǒng)中感應(yīng)式磁傳感器感受飛行器所處位置的地球磁場強(qiáng)度向量方向，為系統(tǒng)提供磁方位信號。航向陀螺為雙自由度水平機(jī)械陀螺儀，利用高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性即自轉(zhuǎn)軸可長時間保持給定空間方向不變的特性，在陀螺航向狀態(tài)下其是航向傳感器，在磁航向狀態(tài)下其是磁航向信號平均值的穩(wěn)定器。兩種工作狀態(tài)下，航向信號均從航向陀螺的同一個自動同步傳感器（通常為自整角機(jī)發(fā)送器）向用戶發(fā) 送。

然而，再精密的機(jī)械陀螺儀在外干擾力矩作用下也不可能一直保持空間方向不變，由此產(chǎn)生漂移誤差，因此，將在外干擾力矩作用下陀螺儀自轉(zhuǎn)軸在單位時間內(nèi)相對于慣性空間的偏轉(zhuǎn)角稱為航向陀螺漂移誤差（或漂移率），其單位是°/h。航向陀螺漂移誤差是衡量航向陀螺儀精度的主要性能指標(biāo)，漂移誤差越小，陀螺儀精度越高。

目前，航向陀螺漂移誤差指標(biāo)基本在±1.5°/h ～±3.5°/h 之間，整個系統(tǒng)的航向誤差能達(dá)到1°左右，航向指示器的最小刻度分辨率基本也達(dá)到1°。若只利用航向指示器的指示讀數(shù)來測量漂移誤差，往往需要花費(fèi)較長時間才能得到相對準(zhǔn)確的測量結(jié)果，特別是在航向陀螺的維護(hù)修理工作中。重新裝配后的航向陀螺的漂移誤差性能調(diào)整的可能性很大，且有時需反復(fù)調(diào)整。因此，研究必要可行的漂移誤差快速測試方法對于提高工作效率意義顯著。

2 機(jī)電同步測量法

航向陀螺漂移誤差機(jī)電同步測量法的主要技術(shù)思路是，通過高精度自整角接收機(jī)同步航向陀螺自整角發(fā)送器的航向角度，輸出與航向角度瞬時變化值相應(yīng)的微弱交流信號，經(jīng)交流放大器放大，一路輸給跟隨測量電路的微電機(jī)控制繞組，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速（對應(yīng)于航向角漂移的大?。?，一路經(jīng)相敏整流后控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向（對應(yīng)于航向角漂移的方向），再利用該電機(jī)帶動的測速發(fā)電機(jī)輸出相應(yīng)的直流電信號，經(jīng)電流變換，控制電流表指針的相應(yīng)指示，再將漂移誤差的大小與電流表指針偏轉(zhuǎn)量的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為刻度，即實(shí)現(xiàn)航向角漂移誤差的測量。

由于航向陀螺的漂移誤差小，實(shí)時的角度變化量更是微乎其微，因此要求自整角接收機(jī)具有很高的靈敏度，同樣經(jīng)其轉(zhuǎn)換輸出的實(shí)時信號也非常微弱，后級的交流放大器必須具有很高的放大倍數(shù)且自身的噪聲必須很低，在此基礎(chǔ)上，必須使用高速微電機(jī)以再次提高系統(tǒng)的靈敏度，將細(xì)小的電壓差轉(zhuǎn)換為較大的轉(zhuǎn)速差?？梢姡瑱C(jī)電同步測量法的技術(shù)原理雖不復(fù)雜，但其工程化的實(shí)施卻相當(dāng)困難，實(shí)現(xiàn)成本較昂貴。一方面，整個跟蹤測量系統(tǒng)通過多級齒輪傳動，特別是要在自整角接收機(jī)端部產(chǎn)生微小的角度變化，則在齒輪齒部和間隙處必然出現(xiàn)較明顯的遲滯和過量，導(dǎo)致系統(tǒng)存在周期性擺動，需通過觀察指示表指針擺動的平均值來得出最終的漂移誤差大?。涣硪环矫?，由于航向陀螺的實(shí)時角度變化量太小，自整角接收機(jī)的靈敏度和輸出端部的齒輪傳動分辨率無法做到真正的實(shí)時，只有通過一定的時間積累才能實(shí)現(xiàn)航向角度變化量的傳遞，往往需要等待一段時間（通常3 ～5min）才開始讀數(shù)。

3 S/D 數(shù)字測量法

航向陀螺漂移誤差S/D 數(shù)字測量法的技術(shù)思路是，利用高精度自整角機(jī)—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（S/D 轉(zhuǎn)換器），直接將自整角航向角度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用單片機(jī)（或計(jì)算機(jī)）和軟件處理計(jì)算得出航向角度值和漂移誤差。

目前，國內(nèi)商用S/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)大多為10 位、12 位、14 位和16 位，各位數(shù)對應(yīng)的角度分辨率如表1 所示。

理論上，S/D 轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換精度是指沒有任何轉(zhuǎn)換誤差時的角度分辨率，但因?qū)嶋H轉(zhuǎn)換中存在非線性、信號噪聲、干擾等因素，精度與分辨率的差距會隨著分辨率的提高而增大，如10 位S/D 轉(zhuǎn)換器的精度基本能達(dá)到±0.4°，而16 位S/D 轉(zhuǎn)換器的精度可能就只稍優(yōu)于±19.8″?？梢?，對于航向角度，只需10 位的S/D 轉(zhuǎn)換器就能實(shí)現(xiàn)高精度的測量，但對于角度的變化速率即航向系統(tǒng)指標(biāo)中的協(xié)調(diào)速度和漂移誤差測量來說，則是速度越低越不易測量。如協(xié)調(diào)速度為1°/min（60″/s）， 即按秒實(shí)時測量1°/min 協(xié)調(diào)速度需要的S/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率優(yōu)于60″，對應(yīng)的位數(shù)至少需15 位。因此，工程中采取了時間換分辨率的方法，即延長測量時間累積讀角度變化量（或測量角度變化量所需的時間）的方式，實(shí)現(xiàn)利用低位數(shù)S/D 達(dá)到高位數(shù)S/D 才能測量速度的能力。具體原理是：將測量間隔時間增大到使該間隔時間所對應(yīng)的角度變化量大到能被S/D 轉(zhuǎn)換器所識別（或測量S/D 轉(zhuǎn)換器輸出值變化時所對應(yīng)的時間間隔），將測得的角度變化量除以時間間隔，計(jì)算出角度的變化速率。如測量1°/min 的協(xié)調(diào)速度，采用14 位 S/D 轉(zhuǎn)換器時應(yīng)將測量時間間隔增大到2s 以上，采用12 位S/D 轉(zhuǎn)換器則應(yīng)增大到6s 以上，這樣即能基本快速實(shí)現(xiàn)對1°/min 協(xié)調(diào)速度的測量，且設(shè)置間隔時間越大（測量速度越低），測量的精度越高。

對于更低角度變化速率的漂移誤差，其測量要求更高。如漂移誤差為1°/h（1″/s），即按秒實(shí)時測量1°/h漂移誤差需要的S/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率為1″，對應(yīng)的位數(shù)至少需21 位，若采用16 位S/D 轉(zhuǎn)換器測量需將時間間隔增大到20s，采用14 位S/D 轉(zhuǎn)換器則需增大到80s。同時，由于角度變化速率太小，對測量時初始角度的不確定性引入的誤差必須加以考慮，即S/D 轉(zhuǎn)換器輸出的第一次角度變化量Δθ1對應(yīng)的時間間隔Δt1并不準(zhǔn)確，應(yīng)舍去；第二次開始的Δθ 與Δt 才能代表該次角度變化量與對應(yīng)的時間間隔。同時，由于S/D 轉(zhuǎn)換器精度和航向陀螺的微觀不穩(wěn)定性，單次測量只能代表“瞬間”速度，為了提高測量的可靠性，原則上應(yīng)測量三次以上，并考慮到航向陀螺的漂移誤差與時間成累積關(guān)系的規(guī)律，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。具體的測量程序是：

逐次測量的輸出顯示是為了滿足測量速度需要，多次的測量和數(shù)據(jù)融合是為了滿足測量精度的要求。

可見，對于不小于1°/h 漂移誤差的測量，采用16 位S/D 轉(zhuǎn)換器的測量響應(yīng)時間約為40s，測量結(jié)果讀數(shù)時間約為80s，測量速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，即利用秒表監(jiān)測30min 時相對漂移值與平均值之差的方法，測量精度也有所提高。但若采用14 位S/D 轉(zhuǎn)換器，測量速度將下降4 倍，效果變差很多。

4 電壓測量法

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，超高精度數(shù)字多用表越來越多地進(jìn)入日常工作現(xiàn)場，為采用電壓測量法測量航向陀螺漂移誤差提供了可能。具體實(shí)現(xiàn)的原理如下。

設(shè)定用于自整角機(jī)的激磁電壓u=EoSinωt，則自整角機(jī)輸出的電氣信號表達(dá)式如下：

這里，Φ 為自整角機(jī)輸出角度信號的線電壓，其中Φ1為Ⅰ相與Ⅱ相間的線電壓，Φ2為Ⅰ相與Ⅲ相間的線電壓，Φ3為Ⅱ相與Ⅲ相間的線電壓。θ 是自整角機(jī)軸角。在0°、90°、180°和270°四個方位附近時，標(biāo)準(zhǔn)自整角機(jī)輸出的信號電壓與角度的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表1 國內(nèi)S/D轉(zhuǎn)換器的角度分辨率

由 表2 可 見，1°/h 漂 移 誤 差 的自整角航向角度信號每1 秒角電壓變化量，對于26V 標(biāo)準(zhǔn)來說：0°方位時Φ1為0.126mV、Φ2為-0.063mV、Φ3為-0.063mV，90°方位時Φ1為0mV、Φ2為-0.109mV、Φ3為0.109mV，180 °方 位 時Φ1為-0.126mV、Φ2為0.063mV、Φ3為0.063mV，270 ° 方位 時Φ1為0mV、Φ2為0.109mV、Φ3為-0.109mV。對于57V 標(biāo)準(zhǔn)來說：0°方位時Φ1為0.276mV、Φ2為-0.138mV、Φ3為-0.138mV，90 °方 位 時Φ1為0mV、Φ2為-0.239mV、Φ3為0.239mV，180 °方 位 時Φ1為-0.276mV、Φ2為 0.138mV、Φ3為0.138mV，270°方位時 Φ1為0mV、Φ2為0.239mV、Φ3為 -0.239mV?？梢?，在0°和180°方位下Φ1的電壓變化率最大，90°和270°方位下Φ2與Φ3的電壓變化率較大；對于相同的自整角機(jī)，電壓標(biāo)準(zhǔn)越高，靈敏度和精度越高。

表2 標(biāo)準(zhǔn)自整角機(jī)理論輸出信號

表3 電壓測量法測量漂移速度（配合計(jì)時器）

由于自整角機(jī)的激磁和輸出都是400Hz 交流電壓，理論計(jì)算出此處正弦函數(shù)值的正負(fù)并沒有實(shí)際工程意義，也無法通過電壓測量法判斷出0°與180°、90°與270°的差異，只能通過航向系統(tǒng)自身角度指示來辨別。

根據(jù)表2 的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，0°、180°、90°和270°四個方位的漂移誤差只需測量Φ1與Φ2（或Φ3）的電壓變化情況就能相應(yīng)地?fù)Q算出結(jié)果，具體測量和換算公式如表3 所示。

電壓測量法的測量速度取決于測量儀器的分辨率和精度。通常，航向系統(tǒng)的漂移誤差指標(biāo)范圍為±（1°～4°）/h，按0.1°/h 分辨率，若選用六位半數(shù)字電壓表，在0°和180°方位，設(shè)置1V 量程檔（61/2 位），考慮到電壓表本身的穩(wěn)定度和不少于3 次的累積平均測量，約10s 能測量換算出漂移誤差大小，在90°和270°方位，設(shè)置100V 量程檔（51/2位），約100s 能測量換算出漂移誤差大?。蝗暨x用八位半數(shù)字電壓表，在0°和180°方位，設(shè)置1V 量程檔（81/2 位），約5s 能測量換算，在90°和270°方位，設(shè)置100V 量程檔（71/2 位），只需 約10s。

另外，正弦函數(shù)只在0°、180°、90°和270°四個方位點(diǎn)附近具有較好的線性度，因此，當(dāng)航向系統(tǒng)自身的方位指示誤差較大時（＞1.5°），必須外用標(biāo)準(zhǔn)指示器進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，否則會影響測量精度。同時，由于電壓測量法為開環(huán)測試法，自整角機(jī)輸出的信號電壓還與自整角機(jī)的激磁電壓相關(guān)，因此電壓測量法要求激磁電源具有較高的穩(wěn)定度，否則將直接影響測量精度。

表4 航向陀螺漂移誤差測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比

5 結(jié)論

根據(jù)對三種漂移誤差測量方法的原理分析和技術(shù)特點(diǎn)介紹，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表4 所示。

S/D 數(shù)字測量法和電壓測量法無疑是建立在最新科技發(fā)展成果之上的，無論是精度、可靠性還是成本都具有不可比擬的優(yōu)勢，更適宜推廣運(yùn)用。本文探討的思路可為相關(guān)測試設(shè)備和方法的研究提供參考。需指出的是，無論是何種測試方法，在實(shí)際工程運(yùn)用中都需針對具體的對象進(jìn)行適應(yīng)性選擇、優(yōu)化和調(diào)試，才能最終獲得滿意的結(jié)果。