仇 磊

（解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

某型火箭炮武器系統(tǒng)配備的氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，是我軍新裝備的一種高性能的野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)式氣象保障裝備，該系統(tǒng)集多譜勒聲雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、無線電經(jīng)緯儀和野戰(zhàn)氣象儀等多種探測(cè)設(shè)備于一身，具有技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、保障能力強(qiáng)、探測(cè)高度高等特點(diǎn)，是遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)的重要保障裝備。為完成氣象保障任務(wù)，改型氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行探測(cè)工作之前或者雷達(dá)氣象車移動(dòng)后都必須首先完成尋北標(biāo)定才能工作，否則風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒聲達(dá)和無線電經(jīng)緯儀三大探測(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)均無效。

某型炮兵氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)尋北標(biāo)定儀安裝在該型武器系統(tǒng)炮兵氣象車上，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信接口，實(shí)現(xiàn)氣象車尋北自動(dòng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理等自動(dòng)標(biāo)定任務(wù)。改型自動(dòng)尋北標(biāo)定儀采用光纖陀螺作為尋北標(biāo)定的慣性器件，具有成本低、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。改型自動(dòng)尋北標(biāo)定儀在尋北時(shí)，整個(gè)慣性測(cè)量單元安裝在一個(gè)高精度程控轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的角位置由采集控制單元控制，按其數(shù)學(xué)模型要求精確轉(zhuǎn)動(dòng)到相隔90°規(guī)定的四個(gè)位置上。陀螺儀用來測(cè)量四個(gè)不同方位上的地球自轉(zhuǎn)角速度，加速度計(jì)用來測(cè)量輸入軸相對(duì)當(dāng)?shù)厮矫娴膬A斜角，所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)采集電路采集后送入計(jì)算單元進(jìn)行解算，解算后送入顯示單元，顯示北向角信息和姿態(tài)信息。

在該型尋北標(biāo)定儀中，陀螺漂移和噪聲是影響尋北精度的主要因素，數(shù)據(jù)采集單元的性能（分辨率、精度等）是決定系統(tǒng)性能的重要因素之一。此外，轉(zhuǎn)位控制方案設(shè)計(jì)是尋北系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位精度和恒速控制精度必須滿足陀螺尋北的精度要求。當(dāng)硬件平臺(tái)和尋北方案確定后，有效的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)提高尋北精度起決定性的作用。要提高尋北儀的精度，就必須解決影響尋北精度的諸多關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 解析式陀螺尋北原理

20世紀(jì)中后期，由于軍用陸基導(dǎo)航及導(dǎo)彈武器發(fā)射對(duì)自主、快速對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的需求，加上光學(xué)陀螺、振動(dòng)陀螺等非轉(zhuǎn)子陀螺的出現(xiàn)，使解析式陀螺尋北儀技術(shù)得到快速發(fā)展。解析式陀螺尋北儀是通過測(cè)量地球轉(zhuǎn)速在不同方位上的水平分量，再經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)解算而推導(dǎo)出當(dāng)?shù)氐恼姹狈较?。光纖陀螺作為一種高可靠、長(zhǎng)壽命的非轉(zhuǎn)子式速率陀螺儀，很適合在解析式陀螺尋北系統(tǒng)中應(yīng)用。某型炮兵氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)尋北標(biāo)定儀采用了光纖陀螺解析式尋北原理。

將一個(gè)單軸陀螺安裝在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，使其輸入軸水平，通過轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)使陀螺依次測(cè)出地球轉(zhuǎn)速在兩個(gè)水平位置的分量ωx和ωy（如圖1所示），就可計(jì)算出初始方向與真北方向的偏角。

圖1 解析式陀螺尋北原理示意圖

由于ωx＝ωiecosLcosψ，ωy＝ωiecosLsinψ，故有：

當(dāng)ωx≠0時(shí)，可以用式（1）算出航向角。當(dāng)ωx的值接近0時(shí)，可以用式（2）計(jì)算出ψ。

式中ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度；L為測(cè)量點(diǎn)緯度；ψ為陀螺初始輸入軸與北向的夾角。

3 自動(dòng)尋北標(biāo)定儀關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 四位置尋北方案

該方案是使光纖陀螺敏感軸分別在四個(gè)特定的位置上測(cè)量地球轉(zhuǎn)速的水平分量，再通過計(jì)算得到載體與北向的夾角，為便于計(jì)算，這四個(gè)位置選擇依次相差90°的4個(gè)位置。

在開始尋北時(shí)，光纖陀螺處于第一個(gè)位置ψ，陀螺在這個(gè)位置完成信號(hào)采集后，由轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光纖陀螺依次旋轉(zhuǎn)到（ψ＋90°），（ψ＋180°），（ψ＋270°）的三個(gè)位置，并分別在每個(gè)位置完成信號(hào)采集，根據(jù)解析式尋北原理，光纖陀螺在這四個(gè)位置的輸出為

式中K1為光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)；K01，K02，K03，K04和ε1，ε2，ε3，ε4分別為陀螺在每個(gè)位置上的零偏和隨機(jī)誤差。

若忽略短時(shí)間內(nèi)陀螺零偏的變化量及隨機(jī)誤差，可算出陀螺敏感軸與北向的夾角ψ為

可見，四位置尋北方案不僅可抵消光纖陀螺零偏的影響，而且不需要依賴光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的先驗(yàn)值及當(dāng)?shù)氐乩砭暥戎礚，從而降低了對(duì)光纖陀螺性能指標(biāo)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求，是一種較為理想的尋北方案。

3.2 精密轉(zhuǎn)臺(tái)的精確轉(zhuǎn)位控制技術(shù)

四位置尋北方案需要采樣陀螺在幾個(gè)固定位置的輸出值，從而解算出方位角。只有控制轉(zhuǎn)臺(tái)精確轉(zhuǎn)位，才可以精確解算出方位角。轉(zhuǎn)軸的位置和運(yùn)動(dòng)精度決定了工作臺(tái)的端面和徑向跳動(dòng)誤差的大小，從而影響加速度計(jì)和光纖陀螺的輸出信號(hào)。運(yùn)動(dòng)精度還影響光電編碼器的位置精度，進(jìn)而影響編碼器輸出信號(hào)的相位精度，這些都會(huì)最終影響整個(gè)系統(tǒng)的尋北精度。以四位置尋北方案為例，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的定位誤差是主要的誤差源，對(duì)尋北結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，其造成的尋北誤差是定位誤差的一半。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要確保轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度滿足陀螺尋北的精度要求，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)中各機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和加工要有相應(yīng)的加工精度要求和工藝措施。一般轉(zhuǎn)臺(tái)的定位誤差要小于尋北精度的五分之一。采用光電編碼器作為直流電機(jī)位置控制的反饋元件，構(gòu)成位置反饋系統(tǒng)，對(duì)直流電機(jī)的定位位置進(jìn)行修正，可以獲得較高的位置精度。

3.3 反饋元件的選擇

光電編碼器是一種集光學(xué)、機(jī)械、電子技術(shù)為一體的數(shù)字檢測(cè)裝置，具有精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)伺服系統(tǒng)中。它把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度以脈沖形式輸出，旋轉(zhuǎn)角度值正比于脈沖個(gè)數(shù)，旋轉(zhuǎn)速度值正比于脈沖頻率。

按照輸出信號(hào)的種類來劃分，光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩大類。絕對(duì)式編碼器不需要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可給出與位移相對(duì)應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)角輸出量。優(yōu)點(diǎn)是固定零點(diǎn)、輸出代碼是軸角的單值函數(shù)、抗干擾能力強(qiáng)、掉電后再啟動(dòng)無須重新標(biāo)定、無累積誤差等；缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化。增量式編碼器的典型輸出為兩個(gè)相位差為90°的方波信號(hào)（A和B）以及零位脈沖信號(hào)Z。A，B兩相信號(hào)的脈沖數(shù)標(biāo)志碼盤軸所轉(zhuǎn)過的角度，A，B之間的相位關(guān)系標(biāo)志碼盤的轉(zhuǎn)向。計(jì)數(shù)過程一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法：1）由可編程計(jì)數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)；2）由可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)正反向脈沖的計(jì)數(shù)。增量式編碼器易于實(shí)現(xiàn)小型化，響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，且有誤差累積現(xiàn)象。

3.4 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元主要負(fù)責(zé)光纖陀螺輸出的數(shù)字信號(hào)的接收及將加速度計(jì)輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在解析式尋北系統(tǒng)中，對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能和相應(yīng)的抗干擾措施有較高要求，需要選用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成A／D轉(zhuǎn)換。

如果加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)Ig＝1±0.2mA／g，所采用的匹配電阻為50Ω，設(shè)計(jì)的測(cè)角范圍為±15°，則加速度計(jì)輸出的電壓幅值為V＝1×50×10－3×sin15°＝12.9×10－3V。為了檢測(cè)加速度計(jì)信號(hào)的微小變化，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)來說，關(guān)鍵措施之一是盡量減小測(cè)量過程中引入的觀測(cè)噪聲，而前置放大器則是引入噪聲的主要部件之一。低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是低噪聲半導(dǎo)體器件的選擇、低噪聲電子線路和其工作狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及減少放大器外來干擾的技術(shù)措施。I／V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)接入精密濾波放大電路，實(shí)現(xiàn)低通濾波。濾波后的電壓信號(hào)還必須經(jīng)過限幅和調(diào)理環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成與AD采集芯片輸入兼容的電壓信號(hào)才能接入AD的信號(hào)輸入端。加速度計(jì)輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路（放大、濾波）后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

3.5 陀螺漂移和噪聲消除技術(shù)

在改型尋北標(biāo)定儀中，影響尋北精度的主要因素是陀螺漂移和噪聲。引起陀螺漂移的諸多因素是帶有隨機(jī)性的，隨機(jī)漂移誤差是系統(tǒng)的主要誤差源。光纖陀螺有一定的輸出噪聲，而且使用中還會(huì)受到諸多運(yùn)載體發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)、人員走動(dòng)及陣風(fēng)隨機(jī)吹動(dòng)等因素對(duì)尋北精度的影響。一般認(rèn)為陀螺漂移主要由常值分量、周期分量和自噪聲組成，但是由于各種電路噪聲和外部噪聲的影響，實(shí)際信號(hào)中還包含白噪聲和有色噪聲，用模型描述為

式中εd是陀螺漂移的常值項(xiàng)，短時(shí)間內(nèi)可以用陀螺的零偏來代替，可以通過多位置測(cè)試消除；Ω為周期分量的幅值，f為周期分量的頻率，θ為初始相位，Δ（t）為均值為零的高斯白噪聲，?（t）為相關(guān)噪聲。

處理陀螺漂移和噪聲的方法主要有時(shí)間序列分析、Kalman濾波、H濾波和抗差濾波等。也有基于傅立葉變換或小波變換而建立的數(shù)字濾波器，用以剔除信號(hào)中的高頻部分以達(dá)到去除噪聲、平滑信號(hào)的目的。工程中常采用低通濾波方法處理陀螺數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是濾波方法簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)、能在一定程度上減少動(dòng)態(tài)干擾的影響，缺點(diǎn)是濾波效果并不理想?？共罟烙?jì)對(duì)異常數(shù)據(jù)降權(quán)處理，一方面限制利用了可用信息，另一方面通過對(duì)有害信息賦予零權(quán)加以排除，從而保證了觀測(cè)信息的利用率與估計(jì)結(jié)果的可靠性。

上述方法只在特定條件下有效，并不能對(duì)信號(hào)中所有的噪聲都能進(jìn)行比較徹底地處理。因而需要針對(duì)具體陀螺的漂移特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)墓烙?jì)方法求解最佳估值，或建立隨機(jī)漂移模型對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而求得最佳估值。

4 技術(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 技術(shù)指標(biāo)

1）“自動(dòng)尋北標(biāo)定儀”尋北精度：0.1°；

2）“自動(dòng)尋北標(biāo)定儀”尋北時(shí)間：≦5min；

3）“自動(dòng)尋北標(biāo)定儀”平均故障間隔時(shí)間（MTBF）：200h，即可以滿足部隊(duì)作戰(zhàn)需要；

4）“自動(dòng)尋北標(biāo)定儀”平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）：30min，自動(dòng)尋北標(biāo)定儀用于氣象車在進(jìn)行氣象探測(cè)工作之前，在準(zhǔn)備工作充分的條件下，不會(huì)影響氣象探測(cè)；

5）“自動(dòng)尋北標(biāo)定儀”工作環(huán)境溫度：－40℃～＋50℃，由于氣象雷達(dá)工作環(huán)境溫度是－40℃～＋50℃，考慮到與氣象雷達(dá)在同樣環(huán)境工作，故工作環(huán)境溫度相同。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，臺(tái)體能在360°任意位置伺服，且能從一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)到任意一個(gè)位置。在0～360°的范圍內(nèi)任選一位置，在同一位置上連續(xù)尋北六次，記錄每次的輸出數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 尋北數(shù)據(jù)

按下列公式計(jì)算尋北精度：

式中：xi為自動(dòng)尋北儀第i次采樣的結(jié)果；n為自動(dòng)尋北儀采樣次數(shù)的總和；i為自動(dòng)尋北儀采樣序數(shù)，i＝1～6；ˉx為n次采樣的平均值。

由此可以算出尋北標(biāo)定儀的尋北精度為0.087°，滿足技術(shù)指標(biāo)需求。

5 結(jié)語

該型尋北標(biāo)定儀具有輕便、快速、操作簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，在無任何初始定向基準(zhǔn)的情況下，均能快速確定北向方位，適合機(jī)動(dòng)作業(yè)。而且該裝置無需緯度補(bǔ)償、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)上采用模塊化，便于安裝和維修，為該型氣象車的作戰(zhàn)使用增加了可靠性保證，提高了某型火箭炮武器系統(tǒng)的氣象保障能力。

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