周海淵，倪文秀，潘 良，王前學(xué)

（1. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰 214431；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131）

靜電陀螺監(jiān)控器幾種啟動(dòng)模式比較及應(yīng)用分析

周海淵1，倪文秀2，潘 良1，王前學(xué)1

（1. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰 214431；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131）

靜電陀螺監(jiān)控器可以全天候提供連續(xù)高精度的位置及航向信息，其工作不受天氣制約。該設(shè)備有碼頭啟動(dòng)和海上應(yīng)急啟動(dòng)兩種啟動(dòng)模式，海上應(yīng)急啟動(dòng)根據(jù)載體所處的航行工況分為錨泊啟動(dòng)、漂航啟動(dòng)、等緯度航行啟動(dòng)三種模式。該設(shè)備啟動(dòng)流程較為復(fù)雜，分為陀螺對(duì)準(zhǔn)、陀螺啟動(dòng)、六次校準(zhǔn)、系統(tǒng)標(biāo)定、系統(tǒng)導(dǎo)航五個(gè)子過程，不同啟動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的外界工況對(duì)各子過程的啟動(dòng)細(xì)節(jié)存在一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致不同啟動(dòng)模式設(shè)備導(dǎo)航精度存在一定差異。針對(duì)上述問題，通過分析設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合測(cè)量船設(shè)備多次應(yīng)用該設(shè)備的工作經(jīng)驗(yàn)，將靜電陀螺監(jiān)控器幾種啟動(dòng)模式對(duì)設(shè)備啟動(dòng)子過程的影響進(jìn)行了綜合比較分析，最后結(jié)合不同啟動(dòng)模式設(shè)備的導(dǎo)航精度提出了對(duì)應(yīng)的應(yīng)用建議，為靜電陀螺監(jiān)控器在不同狀態(tài)下的啟動(dòng)和應(yīng)用提供借鑒。

靜電陀螺監(jiān)控器；啟動(dòng)方式；六次校準(zhǔn)；系統(tǒng)標(biāo)定

靜電陀螺監(jiān)控器（以下簡(jiǎn)稱ESGM）作為校準(zhǔn)設(shè)備，與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）組合使用可以有效延長(zhǎng)INS的重調(diào)周期，提高系統(tǒng)精度[1-5]。而ESGM的系統(tǒng)精度取決于解算通道所使用參數(shù)的估計(jì)準(zhǔn)確度，而對(duì)這些參數(shù)的估計(jì)與陀螺對(duì)準(zhǔn)、陀螺啟動(dòng)、六次校準(zhǔn)、系統(tǒng)標(biāo)定等階段都有密切的關(guān)系。

ESGM安裝于測(cè)量船后工作超過1萬(wàn)小時(shí)，期間對(duì)碼頭啟動(dòng)、錨泊啟動(dòng)、漂航啟動(dòng)、等緯度航行啟動(dòng)等各種啟動(dòng)方式都進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。本文通過分析設(shè)備啟動(dòng)過程的工作原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用所積累數(shù)據(jù)，將幾種啟動(dòng)模式對(duì)設(shè)備精度的影響程度進(jìn)行了綜合比較分析，最后提出了應(yīng)用建議，為該設(shè)備在不同工況下的啟動(dòng)和應(yīng)用提供了有效的參考。

1 ESGM啟動(dòng)關(guān)鍵過程

ESGM安裝有兩個(gè)靜電陀螺儀，模擬兩顆恒星。極陀螺動(dòng)量矩H1的指向與地球極軸平行，赤道陀螺動(dòng)量矩H2的指向與赤道面平行。ESGM通過復(fù)示平臺(tái)跟蹤當(dāng)?shù)厮矫妫勇輧x動(dòng)量矩軸在慣性空間內(nèi)的指向，在地平坐標(biāo)系內(nèi)用高度角h和方位角q表示，在赤道坐標(biāo)系內(nèi)用赤緯δ及地方時(shí)角S*表示，其中h和q通過對(duì)陀螺儀方位環(huán)和高度環(huán)的測(cè)量得到，δ和S*通過測(cè)量通道計(jì)算得出。因此，啟動(dòng)過程中陀螺儀動(dòng)量矩軸的對(duì)準(zhǔn)精度直接影響著設(shè)備的導(dǎo)航精度。ESGM啟動(dòng)的過程可以分為陀螺對(duì)準(zhǔn)、陀螺啟動(dòng)、六次校準(zhǔn)、系統(tǒng)標(biāo)定、系統(tǒng)導(dǎo)航5個(gè)階段，以下針對(duì)不同工況條件對(duì)陀螺儀啟動(dòng)的影響進(jìn)行分析。

1.1 陀螺對(duì)準(zhǔn)

由于靜電陀螺無(wú)法通過施加力矩的方式調(diào)整動(dòng)量矩，因此在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)之前必須驅(qū)動(dòng)h、q來(lái)使其幾何軸處于如公式(1)所示的理論指向[6]。

陀螺對(duì)準(zhǔn)階段，利用對(duì)高度環(huán)和方位環(huán)的測(cè)量值解算得出him和qim，然后通過引入當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、INS航向及水平姿態(tài)信息，將公式(1)中的相關(guān)角度轉(zhuǎn)換成極陀螺、赤道陀螺的高度角h0i和方位角q0i。最后如公式(2)所示，通過調(diào)整測(cè)量通道與解算通道之間的誤差，將Δhi、Δqi逼近為零，使陀螺儀動(dòng)量矩軸構(gòu)建精確的慣性坐標(biāo)系（i=1,2分別表示極陀螺、赤道陀螺）。

1.2 陀螺啟動(dòng)

陀螺完成對(duì)準(zhǔn)，需要通過加速使其旋轉(zhuǎn)以便建立慣性空間，該過程分為一次加速、阻尼定中、二次加速三個(gè)階段。一次加速為陀螺提供初始轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量矩，轉(zhuǎn)速約為20 Hz，阻尼定中使轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩軸與陀螺殼體的幾何對(duì)稱軸趨于一致，阻尼精度在10'左右。二次加速陀螺轉(zhuǎn)速達(dá)到300 Hz，最后采用鎖相環(huán)技術(shù)，控制其精度在±0.1 Hz，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子的穩(wěn)速閉環(huán)控制。之后ESGM進(jìn)入隨動(dòng)狀態(tài)，慣性坐標(biāo)系初步形成。

在陀螺整個(gè)加速過程中需要根據(jù)載體所處的航行工況實(shí)時(shí)對(duì)h、q不斷調(diào)整才能保證陀螺動(dòng)量矩軸的精確指向，一般調(diào)整精度保持在5′以內(nèi)，這也是陀螺儀啟動(dòng)的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。

1.3 六次校準(zhǔn)

六次校準(zhǔn)[7]的作用在于利用已經(jīng)預(yù)先裝訂的陀螺漂移參數(shù)、地球自轉(zhuǎn)角速度ωe及陀螺動(dòng)量矩相對(duì)赤道坐標(biāo)系的初始位置角（赤緯δi(0)、地方時(shí)角Si*(0)），迭代解算瞬時(shí)的赤緯δip(t)和地方時(shí)角Si*p(t)及格林威治時(shí)角Sip(t)，如公式(3)所示，其中后兩項(xiàng)可以由預(yù)知參數(shù)計(jì)算。

陀螺初始位置角由對(duì)應(yīng)時(shí)刻陀螺在水平坐標(biāo)系中測(cè)量的hi′和qi′經(jīng)過球面三角變換求得。陀螺動(dòng)量矩在赤道坐標(biāo)系的位置角δi和Si與其在水平坐標(biāo)系中的位置角hi′和qi′之間的關(guān)系如公式(4)所示：

1.4 系統(tǒng)標(biāo)定

六次校準(zhǔn)結(jié)束后，進(jìn)入48 h系統(tǒng)標(biāo)定階段。該過程以經(jīng)過三角變化后的δim(t)、Si*m(t)作為準(zhǔn)確值，經(jīng)過一系列修正、平滑代表了陀螺動(dòng)量矩實(shí)際的瞬間指向。計(jì)算δip(t)、Si*p(t)過程中，地球自轉(zhuǎn)角速度ωe可以預(yù)知，初始位置信息、GPS實(shí)時(shí)位置信息是已知信息。因此標(biāo)定過程的解算數(shù)據(jù)中僅包含了陀螺初始位置誤差信息以及陀螺漂移參數(shù)誤差Δm01、Δm02、Δn11、Δn12、Δn22。

測(cè)量通道和解算通道誤差如公式(5)所示。在整個(gè)標(biāo)定過程中，使用測(cè)量通道結(jié)果經(jīng)過卡爾曼濾波迭代解算Δδi(t)、ΔSi*(t)中反映的初始位置誤差Δδi(0)、ΔSi*(0)以及相關(guān)陀螺漂移Δm01、Δm02、Δn11、Δn12、Δn22。

標(biāo)定過程的唯一可觀測(cè)量稱為Z矢量，該矢量是Δδi(t)、ΔSi(t)的線性組合，反映了Δδi(t)、ΔSi(t)的變化情況，如公式(6)所示：

式中，Z1、Z2、Z3有著明顯的幾何意義：Z1是極陀螺和赤道陀螺H軸之間的夾角計(jì)算誤差，Z2是極陀螺H軸在當(dāng)?shù)刈游缑嫔系奈恢媒怯?jì)算誤差，Z3是赤道陀螺H軸在赤道面上的位置角計(jì)算誤差。

1.5 系統(tǒng)導(dǎo)航

標(biāo)定結(jié)束后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入導(dǎo)航階段，此時(shí)解算通道各參數(shù)已經(jīng)相當(dāng)精確。由于ESGM工作是建立在INS基礎(chǔ)之上，此時(shí)的測(cè)量通道結(jié)果包括了INS的航向和位置誤差信息，如公式(7)所示可以使用Δδi(t)、ΔSi(t)來(lái)修正INS誤差，完成監(jiān)控功能。

2 啟動(dòng)方式對(duì)啟動(dòng)過程的影響

在陀螺對(duì)準(zhǔn)和啟動(dòng)階段，通過對(duì)hi和qi持續(xù)調(diào)整才能保證六次校準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)定過程中對(duì)于陀螺漂移參數(shù)和陀螺初始位置的計(jì)算精度。在ESGM中位置信息與陀螺H軸之間存在公式(8)所示的關(guān)系：

從公式(8)可以看出，極陀螺H軸的高度角h1、方位角q1有著明顯的幾何意義，緯度φ變化量對(duì)應(yīng)極陀螺高度角變化量，航向K變化量對(duì)應(yīng)方位角變化量。由于在不同的航行工況下緯度和航向變化情況不同，因而導(dǎo)致ESGM在不同航行工況下的啟動(dòng)過程中測(cè)量通道需要調(diào)整的復(fù)雜程度也不一樣。

2.1 碼頭啟動(dòng)

在碼頭條件下，船舶航向、位置信息為固定值，當(dāng)陀螺完成對(duì)準(zhǔn)后，測(cè)量通道h1、q1、h2、q2四個(gè)參數(shù)幾乎不受影響，直至完成陀螺加速，期間不需要重新調(diào)整陀螺動(dòng)量矩方向，因此兩個(gè)陀螺可以同時(shí)啟動(dòng)。雖然碼頭啟動(dòng)操作簡(jiǎn)單且設(shè)備精度較高，但是受到嚴(yán)重的應(yīng)用限制。

2.2 錨泊啟動(dòng)

錨泊一般是在近海錨地，由于載體一端被錨鏈固定于海底，在近海洋流作用下其航向變化十分頻繁[8]，如圖1所示，在1 h內(nèi)航向變化范圍為150°～350°。

圖1 錨泊情況下載體航向Fig.1 Carrier heading under mooring condition

如圖2所示，航向變化率最快達(dá)到2.7 (°)/s，從航向變化速率可以發(fā)現(xiàn)，錨泊狀態(tài)的航向變化沒有固定的規(guī)律。

圖2 錨泊情況下載體航向變化率Fig.2 Changing rate of carrier heading under mooring condition

當(dāng)陀螺完成對(duì)準(zhǔn)后，航向變化導(dǎo)致q1、q2變化較大需要實(shí)時(shí)調(diào)整，而實(shí)際操作中h1、h2雖然變化不大，但是也需要一定的調(diào)整。因此綜合以上因素考慮，無(wú)法確保兩個(gè)陀螺同時(shí)啟動(dòng)的精度，實(shí)際使用中一般采用兩個(gè)陀螺分時(shí)啟動(dòng)。

另外，在這種狀態(tài)下，INS的航向和位置數(shù)據(jù)發(fā)散嚴(yán)重，而ESGM工作需要INS的位置、航向信息作為支撐。上述情況在一定程度上影響到ESGM慣性坐標(biāo)系精度和后續(xù)導(dǎo)航參數(shù)的標(biāo)定精確度。

2.3 漂航啟動(dòng)

漂航一般是在遠(yuǎn)海海況較好的情況下進(jìn)行，此時(shí)遠(yuǎn)海洋流流向和流速較為穩(wěn)定，漂航狀態(tài)下載體艏艉方向垂直于洋流方向并隨洋流移動(dòng)，載體的航向和位置都不固定但是變化都比較小。如圖3所示，由于浪涌、洋流沖擊，載體在航向在267°附近變化，但是航向變化不超過1°。

圖3 漂航情況下載體航向Fig.3 Carrier heading under drift condition

當(dāng)陀螺完成對(duì)準(zhǔn)后，h1、q1、h2、q2四個(gè)參數(shù)中，都需要視情調(diào)整，但是調(diào)整幅度較小，調(diào)整的頻率也不高。這種情況下兩個(gè)陀螺可以同時(shí)啟動(dòng)也可分時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)然分時(shí)啟動(dòng)的難度更小一些。漂航條件下支撐ESGM工作的INS數(shù)據(jù)精度也能得到保障，再者載體沒有動(dòng)力消耗，因此這種方式是ESGM啟動(dòng)的較為靈活且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式。

2.4 等緯度啟動(dòng)

等緯度航行啟動(dòng)是ESGM目前較為標(biāo)準(zhǔn)的海上應(yīng)急啟動(dòng)方式，從陀螺對(duì)準(zhǔn)、陀螺啟動(dòng)至完成六次校準(zhǔn)，載體提供6 h等緯度航行。如圖4所示，這種情況下載體的航向較為穩(wěn)定，在90°附近，變化不超過±1°。

圖4 等緯度情況下載體航向Fig.4 Carrier heading under equal-latitude condition

當(dāng)陀螺完成對(duì)準(zhǔn)后，q1、q2有較為明顯變化，視情調(diào)整即可。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，h1、h2變化不大幾乎不用調(diào)整，兩個(gè)陀螺可以分時(shí)啟動(dòng)也可以同時(shí)啟動(dòng)。

等緯度航行雖然存在諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定局限，首先要求載體改變航行計(jì)劃，其次如果在漂航狀態(tài)測(cè)量船航行那么會(huì)徒增燃料消耗。

3 啟動(dòng)方式對(duì)設(shè)備精度的影響

反應(yīng)ESGM精度的有三個(gè)量，一是Z矢量，二是陀螺漂移參數(shù)，三是航向精度。下面從上述三個(gè)方面對(duì)各種啟動(dòng)方式的設(shè)備工作情況進(jìn)行分析。

3.1 啟動(dòng)方式對(duì)Z矢量影響

圖5是四中啟動(dòng)方式的Z矢量曲線。在碼頭和錨泊狀態(tài)下，載體靜止Z曲線是比較平滑的，以24 h為周期變化的三角函數(shù)曲線，碼頭Z曲線峰峰值為3，錨泊Z曲線峰峰值為10，這是由于碼頭載體水平姿態(tài)變化比錨泊狀態(tài)??；在漂航和等緯度航行下，Z曲線依然存在24 h為周期變化的三角函數(shù)關(guān)系，但是曲線不平滑，規(guī)律不明顯，這是由于載體運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變化較大的結(jié)果。比較分析不難發(fā)現(xiàn)，載體所處的外界環(huán)境越好，標(biāo)定Z矢量誤差越小，因此設(shè)備啟動(dòng)應(yīng)該選擇良好的外界環(huán)境。

圖5 不同啟動(dòng)方式Z矢量曲線Fig.5 Z vector curves in different start-up modes

3.2 啟動(dòng)方式對(duì)陀螺漂移參數(shù)影響

ESGM設(shè)備有五個(gè)可觀測(cè)的陀螺漂移參數(shù)，分別是m01、m02、n11、n12、n22，其中m02在設(shè)備導(dǎo)航后每24 h更新一次，其余參數(shù)則不再變化。表1為四種啟動(dòng)模式下的陀螺漂移系數(shù)。在設(shè)備進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)后各參數(shù)屬于同一數(shù)量級(jí)，沒有明顯的區(qū)別。

由于參數(shù)m02的特殊性，該參數(shù)直接反應(yīng)了設(shè)備的精度和工作情況。在ESGM中，對(duì)m02設(shè)置了理論門限（絕對(duì)值小于0.484 810×10-7）。表2對(duì)ESGM四種啟動(dòng)模式中的m02進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以看出，錨泊啟動(dòng)時(shí)m02發(fā)散較快，導(dǎo)航72 h該數(shù)據(jù)接近理論門限，導(dǎo)航240 h該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超理論門限。

表1 ESGM陀螺漂移參數(shù)比對(duì)表Tab.1 Comparison on drift parameters of ESGM gyroscope in different start-up modes

表2 ESGM陀螺漂移參數(shù)m02變化情況比對(duì)表Tab.2 Comparison on drift parameter m02of ESGM gyroscope in different start-up modes

3.3 啟動(dòng)方式對(duì)航向精度影響

ESGM航向誤差如表3所示，可以看出，碼頭、漂航和等緯度三種啟動(dòng)方式下基本一致，而錨泊啟動(dòng)的72 h和240 h航向誤差都較大，同時(shí)也說(shuō)明了ESGM航向誤差的變化情況與m02變化情況完全一致。

表3 ESGM航向精度比對(duì)表Tab.3 Comparison on ESGM heading precisions in different start-up modes

4 啟動(dòng)方式特點(diǎn)歸納與應(yīng)用建議

綜合前面分析，可以用表4來(lái)說(shuō)明各種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)。

鑒于表4及前面分析結(jié)果，在四種啟動(dòng)模式中，提出以下應(yīng)用建議：

① 在有條件和工作性質(zhì)允許的情況下，盡可能使用碼頭啟動(dòng)方式，無(wú)論從啟動(dòng)難易程度還是航向精度考慮，這種方式都是首選。但是需要出航前完成ESGM啟動(dòng)，同時(shí)必須考慮到長(zhǎng)時(shí)間工作后數(shù)據(jù)的發(fā)散，再者加以碼頭條件的限制，該方式精度雖高但是應(yīng)用顯得不夠靈活。

② 如果載體長(zhǎng)時(shí)間海上工作，建議采用海上等緯度航行或者漂航啟動(dòng)，這兩種方式難易程度和航向精度相當(dāng)，同時(shí)也能滿足指標(biāo)要求。具體采用哪種方式，可以結(jié)合載體的航行計(jì)劃以及節(jié)能減排綜合考慮定奪，這兩種方式應(yīng)用較為靈活。

表4 ESGM啟動(dòng)方式分析結(jié)果匯總表Tab.4 Summary on analysis results of ESGM start-up modes

③ 錨泊啟動(dòng)方式雖然也能夠完成設(shè)備啟動(dòng)，但在此不推薦采用，這是由于航向變化較快而且規(guī)律較難把握，啟動(dòng)難度較大。在實(shí)際應(yīng)用中又由于航向頻繁變化，導(dǎo)致INS設(shè)備航向誤差、位置誤差較大，進(jìn)而會(huì)影響ESGM設(shè)備的啟動(dòng)精度，長(zhǎng)時(shí)間工作下航向精度難以保障。

5 結(jié) 論

ESGM有著多種的啟動(dòng)方式，不同啟動(dòng)方式對(duì)啟動(dòng)流程的難易程度有著不同的約束，對(duì)設(shè)備的導(dǎo)航精度也有不同程度的影響。本文從設(shè)備工作原理入手，分析了設(shè)備啟動(dòng)方式對(duì)啟動(dòng)過程和設(shè)備精度的影響，總結(jié)了各種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)，提煉出了具體可行的ESGM啟動(dòng)方式應(yīng)用建議。本文研究成果是對(duì)ESGM幾十次次啟動(dòng)和近萬(wàn)小時(shí)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)于設(shè)備的應(yīng)用具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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Comparison and application analysis on several ESGM starting modes

ZHOU Hai-yuan1, NI Wen-xiu2, PAN Liang1, WANG Qian-xue1
(1. China Satellite Maritime Tracking & Controlling Department, Jiangyin 214431, China; 2. Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)

Electrostatic gyro monitor can continuously provide all-weather high-precision position and heading information. ESGM has two start-up modes, i.e. dock static start-up and maritime emergency start-up. According to the carrier’s navigation condition, the maritime emergency start-up is divided into mooring start-up, drift start-up, same latitude sailing start-up. The boot process is rather complicated and can be divided into gyro starting alignment, gyro start-up, six calibration, system calibration, system navigation. The external working conditions in different start-up modes would have different impacts on the details of each starting process and hence the equipment’s navigation precisions. In view of the above situation, the ESGM’s structure and working principle is analyzed combining with the working experience of TT&C ship, and a comprehensive comparative analysis among the several ESGM starting modes is studied. Finally an application suggestion is proposed, and it can provide effective application reference for ESGM in different states of the start-up.

electrostatic gyro monitor; start-up; six calibration; calibration system

U666.1

A

1005-6734(2015)04-0467-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.009

2015-03-26；

2015-07-09

周海淵（1982—），男，工程師，從事慣性導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)用研究。E-mail：lynn9527@gmail.com