劉 智，劉 航，吳興存

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

船載雙平臺式慣導加速度計零位動態(tài)標定研究

劉 智，劉 航，吳興存

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

在慣導系統(tǒng)中，如果加速度零位不準確便會影響到測量船精度的提高。船載情況下，船體晃動明顯，慣導工作環(huán)境比較惡劣且時間長，因此加速度計會出現精度下降甚至無法正常工作的情況。因此在更換加速度計后，需要在靜穩(wěn)定的情況下對零位進行標定。論述了慣導原理，通過對船載慣導工作中的具體情況以及數據的分析，提出了在某些特殊的應急條件下，加速度計零位的動態(tài)標定方法。實驗結果表明，該方法可靠性高，能夠滿足應急條件下加速度計的標定，標定的結果滿足船載慣導系統(tǒng)需求。

平臺慣導；加速度計零位；標定；測量船

0 引言

目前我國航天測量船為單站定位體制，船載測控設備是在動態(tài)條件下進行的。由于載體位置和姿態(tài)處于變化當中，必須在測量設備跟蹤被測目標的同時，進行同步測量載體的位置和姿態(tài)，并在甲板坐標系和大地坐標系之間進行變換，才能與整個試驗航區(qū)建立聯(lián)系［1］。

因此測量船上完成船姿船位測量的設備的精度直接影響測量船的總體精度，在設備裝船以及任務中必須對其精度進行標定就成了關鍵［2］。慣性導航系統(tǒng)（簡稱慣導）是航天測量船船姿船位基準測量設備。慣導標校是指對慣性元件即陀螺儀和加速度計的標度、漂移及零位等參數進行標定和校準的過程，標校結果的準確度直接關系到測量船的精度。慣導系統(tǒng)在更換慣性元件、部分電子線路板檢修、慣性平臺維修后，一般都需要進行相應的參數標定工作。

在慣性原件的標定中，陀螺漂移和水平陀螺標度等參數可在碼頭進行自標定，除此之外的方位陀螺大小檔標度、加速度計零位、加速度計標度和姿態(tài)角零位等大多參數的標定需要在靜基座條件［2］下進行。實際情況中，滿足靜基座條件的只有干塢坐墩標校即塢內標校。如果在碼頭或海上需要更換慣性元件，不能滿足靜基座條件，慣性原件的大部分參數無法精確標定。慣導的動態(tài)標校是相對靜基座條件而言的，在碼頭、航行狀態(tài)下標校都可稱為動態(tài)標校。

為了解決這些問題，之前的研究中有平臺旋轉法估算加速度計零位誤差、平臺施矩法估算方位陀螺大檔標度誤差等［3］。但是，加速度計標度、加速度零位等參數，還沒有行之有效的、系統(tǒng)的動態(tài)標定方法。

本文針對上述情況，研究在動態(tài)條件下加速度計零位的標定。經過試驗驗證，并與靜態(tài)條件下的加速度零位標定進行對比，其精度能夠滿足要求。

1 動態(tài)標校的主要內容

水平、方位電氣零位標定一般統(tǒng)稱為姿態(tài)角電氣零位標定，即標定慣導系統(tǒng)的航向、縱搖和橫搖的電氣零值，也是全船塢內標校的主要項目。慣導系統(tǒng)的標定在靜基座條件下進行。在靜基座條件下，位置不變、速度為零，水平姿態(tài)角為接近于零的固定值，能夠排除有害加速度干擾；在碼頭條件下，位置不變，速度近似為零，但是姿態(tài)角并不是固定值，存在一定的外界加速度干擾；在海上條件速度、位置、姿態(tài)角都不是固定值，因此在動態(tài)條件下對系統(tǒng)的參數精確標定是比較困難。

航天測量船的慣導系統(tǒng)為船載雙平臺系統(tǒng)，經過較長時間校準后慣導系統(tǒng)具有很好的短期穩(wěn)定性，因此可以使得一套慣導保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)以作為參考基準，通過動態(tài)標定方案，推導出動態(tài)標定的數據處理模型，對另一套慣導按設計方案進行特定的平臺施矩控制，慣導顯控臺同步錄取數據，經過對2套慣導數據進行同步處理和運算，得到被標定慣導的標定結果，實現慣導系統(tǒng)的動態(tài)標定。

慣導加速度計動態(tài)標校要求在動態(tài)條件下加速度計零位標定小于0.3脈沖/s。

2 加速度計零位動態(tài)標定

2.1 加速度計零位含義及影響

加速度計零位是指慣性平臺在靜態(tài)條件下，平臺處于水平狀態(tài)，加速度回路每秒輸出的脈沖數［4］。

加速度計零位誤差主要影響慣導的水平精度。設ΔAy0、ΔAx0分別為北向、東向加速度計零位誤差，根據誤差理論，引起2條水平回路的穩(wěn)態(tài)誤差為：

式中，α、β為相對于大地方位正北和正東方向的傾斜量，在船搖縱搖、橫搖上的表現隨航向變化而變化；g為重力加速度。

2.2 加速度計零位的塢內標定方法

根據加速度計零位的定義，要求在靜態(tài)條件、平臺處水平狀態(tài)下，加速度計每秒輸出的脈沖數。但是在實際情況中，平臺真正的水平狀態(tài)非常困難。將平臺內、外環(huán)用定位銷銷住固定，并用橡皮筋捆牢，將平臺臺體方位輸出撥動至0°、90°、180°和270°四個方位，然后再求平均值［5］。

加速度計零位人工標定方法具體步驟為［6］：

①船坐墩穩(wěn)定后，系統(tǒng)加電開機，加溫，不啟動陀螺（陀螺啟動開關在斷開位置），在加速度計到溫后，停機斷電。

②去平臺上蓋，插入銷釘（粗銷）后，固定平臺或用橡皮筋綁內、外環(huán)，開機加電，用絕緣螺絲刀撥動臺體，將方位轉到0°。

③啟動控制計算機程序。裝訂系統(tǒng)命令“14018”系統(tǒng)每100 s自動進行加速度計零位的計算（打印脈沖數）。待數據穩(wěn)定后，記錄10組有效數據，取平均值做為該方向的加速度計輸出值。

④撥動臺體，進行下一個方向上再進行統(tǒng)計計算。

2.3 加速度計零位動態(tài)標定原理

通過慣導原理分析，加速度計零位誤差將引起慣導系統(tǒng)的水平穩(wěn)態(tài)誤差［7］。系統(tǒng)更換加速度計后，需要對加速度計零位進行精確標定，而加速度計零位標定需要在靜基座條件下進行。測量船出于機動狀態(tài)，如果系統(tǒng)需要，或者加速度計需要更換后，船沒有進塢條件，就只能在動態(tài)條件下對系統(tǒng)進行水平誤差估算和加速度計零位調，也就是加速度計零位的動態(tài)標定［8］。

利用在航天測量船上的2套獨立的慣導系統(tǒng)，可以在動態(tài)條件下進行加速度計零位標定，需要將其中一套慣導做比對基準，對另一套慣導進行標定。

根據式（1），在正常情況下慣導的加速度計零位誤差將引起水平姿態(tài)角誤差。從數據上分析為，船搖縱搖、橫搖的表現隨航向K變化而變化［9，10］。設慣導水平姿態(tài)沒有誤差時的真實橫搖θ真、縱搖ψ真，慣導正常工作狀態(tài)時，實際橫搖θ、縱搖ψ與加速度計零位引起的水平誤差α、β有以下關系：

加速度計零位動態(tài)標度的方法為平臺旋轉法，是由人工設置、計算機控制將其中一套慣導平臺旋轉使其工作在“北—西—天”狀態(tài)，此狀態(tài)在慣導初校的第一階段。這時東向加速度計零位誤差將引起臺體南北傾斜，北向加速度計零位誤差引起臺體東西傾斜。這時船搖ψ、θ與α、β的關系為：

為了區(qū)別2種狀態(tài)下的水平姿態(tài)角，分別以下標EN、NW表示慣導處于“東—北—天”（正常工作狀態(tài)）和“北—西—天”狀態(tài)的縱橫搖。若旋轉慣導1，則推到過程如下：

平臺旋轉前，2套慣導需要進行綜校，使系統(tǒng)經過較長時間的穩(wěn)定工作，漂移得到充分補償。這時慣導1和慣導2都處于正常工作狀態(tài)，船搖ψ、θ與α、β的關系為：

在船載平臺中，2套慣導的位置在裝于同一吊桶內，2套慣導之間沒有變形，船搖真值相同，當慣導1在正常狀態(tài)時，船搖真值的下標記為“真EN”。同時記錄慣導1與慣導2的水平數據，做差，Δψ1EN-2=ψ1EN－ψ2、Δθ1EN-2=θ1EN－θ2，得到

另外一套慣導保持工作狀態(tài)，船體航向K保持不變，要求在碼頭狀態(tài)或勻速直線航行，旋轉慣導1平臺，使它工作在“北—西—天”狀態(tài)，穩(wěn)定后有：

同時記錄下2套慣導的水平數據，2套之間做差：Δψ1NW-2=ψ1NW－ψ2，Δθ1NW-2=θ1NW－θ2，

對Δψ1EN-2、Δψ1NW-2和Δθ1EN-2、Δθ1NW-2進一步做差，可消除慣導加速度計零位誤差引起的水平誤差。得到

根據式（10）解得：

求得的α1、β1即為由平臺旋轉法求得的慣導1的水平誤差。

根據水平誤差角α、β，估算加速度計零位誤差ΔAx0、ΔAy0的關系式為：

式中，Jx、Jy分別為對應東向、北向加速度計的標度。

東向、北向加速度計新零位ΔAx0、ΔAy0計算公式為：

式中，ΔAx0、ΔAy0即為新標定的加速度計零位；ΔAx0_old、ΔAy0_old為原加速度計零位。

2.4 加速度計零位動態(tài)標定試驗

測量船在海上航行中，慣導導航運行后通過經緯儀測星發(fā)現2套慣導縱橫搖有一定偏差，慣導1縱橫搖誤差分別為－x.45′、x.25′，慣導2縱橫搖誤差為－x.3′、x.1′，均不滿足要求；隨后對2套慣導分別進行碼頭系泊狀態(tài)下加速度計零位動態(tài)標定檢查，檢查發(fā)現慣導1東向加速度計變大1.5脈沖/s，北向加速度計零位變小2.1脈沖/s，慣導2北向加速度計零位變小1脈沖/s。針對此情況，利用靠碼頭期間，更換加速度計，利用加速度計零位動態(tài)標定方法對2套慣導加速度計零位進行了標定，利用慣導2作為基準對慣導1加速度零位進行標定，結果如表1所示。之后結合備件更換，以慣導1為基準，對慣導2加速度計零位進行了標定，結果如表2所示。

表1 慣導1加速度計零位動態(tài)標定結果

表2 慣導2加速度計零位動態(tài)標定結果

根據以上標定結果，裝訂新加速度計零位后，分別再進行一輪次的檢查，發(fā)現2套慣導的“北—西—天”和“東—北—天”狀態(tài)的姿態(tài)角差穩(wěn)定，變化在0.1角分以內，說明加速度計零位誤差在0.3個脈沖以內。

通過試驗與數據分析發(fā)現，這種動態(tài)標定方法措施有效，能夠最大程度地滿足測量船需要。

3 結束語

針對加速度計零位對于慣導精度的影響進行分析，進而從提高測量船精度提高以及加速度計對于測量船精度的影響進一步剖析。根據實際航天測量船環(huán)境，從慣導原理出發(fā)，提出了一種動態(tài)環(huán)境下標校的方法，經過試驗驗證該方法切實有效。該方法能夠彌補無法進塢環(huán)境下，對加速度計的應急要求，為今后測量船水平姿態(tài)精度的提高提供了有力的保障條件。

［1］ 潘 良.航天測量船船姿船位測量技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張振莊，耿大孝.船載天線動態(tài)校相技術研究與實現［J］.無線電通信技術，2015，41（1）：52－55.

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［5］ 毛友澤，張 海.無依托狀態(tài)加速度計的新型標定方法［J］.北京航空航天大學學報，2011（1）：123－126.

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The Research on Dynamic Calibration for Accelerometer Zero of Shipborne Double INS

LIU Zhi，LIU Hang，WU Xingcun
（China Satellite Maritime Tracking＆Control Department，Jiangyin Jiangsu 214431，China）

There aremany factors influencing themeasurementaccuracy of TT＆C ship.In the inertial navigation system（INS），if the acceleration zero is inaccurate，themeasurement precision of a ship would be affected.In marine environment，the ship often shakes seriously and INSworks in poor environment for long hours.The accelerometer accuracy degrades and even does notwork.In case of replacing the accelerometer，the ship is required to calibrate the accelerometer zero in static stability condition.Explanation of INS principle and analysis of the shipborne INS data and situation is provided.A method of dynamic calibration of accelerometer zero in emergency conditions is proposed.Experiment results show that themethod provides high stability and meet emergency conditions accelerometer calibration.Calibration results satisfy the onboard INS requirements.

INS；accelerometer zero；calibration；TT＆C ship

U666.12；V249.322

A

1003－3106（2015）09－0030－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.08

劉 智，劉 航，吳興存.船載雙平臺式慣導加速度計零位動態(tài)標定研究［J］.無線電工程，2015，45（9）：30－33.

劉 智男，（1987—），工程師。主要研究方向：航天測控。

2015-05-11

劉 航男，（1987—），工程師。主要研究方向：航天測控。