包 飛,倪 興,鐘德安,劉 揚

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰 214431)

船載測量設(shè)備軸角編碼器誤差修正方法研究*

包 飛,倪 興,鐘德安,劉 揚

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰 214431)

船載無線電測量設(shè)備進行標校時,幾套測量設(shè)備指向固定目標所測得的俯仰指向角度經(jīng)修正后與大地測量所得角度存在約20″到30″的誤差。多次檢測后表明:該問題主要由設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差導(dǎo)致。因此對傳統(tǒng)的軸角編碼器精度的檢測方法提出了新要求,增加了檢測密度和范圍,并擬合出了編碼器誤差修正公式。經(jīng)過試驗任務(wù)數(shù)據(jù)驗算,該方法比以往的修正方法效果更好,該測量設(shè)備的俯仰測角總精度在原來的基礎(chǔ)提高了約15″。

軸角編碼器;誤差修正;精度檢測

0 引言

軸角編碼器是測量設(shè)備重要的測角部件。設(shè)備角度測量是由軸角編碼器來完成的,其基本功能是把天線各軸的機械轉(zhuǎn)角變?yōu)閿?shù)字量的角度數(shù)據(jù)輸出[1]。影響軸角編碼器精度的因素很多,主要包括碼盤加工精度、旋轉(zhuǎn)變壓器的軸與天線機械軸間的耦合精度及同心度、傳感器電路引起的誤差、數(shù)碼讀出電路引起的誤差等。

船載測量設(shè)備進行標校時,幾套測量設(shè)備指向固定目標所測得的俯仰指向角度經(jīng)修正后仍與大地測量所得角度存在約20″到30″的誤差。通過進一步分析發(fā)現(xiàn),設(shè)備俯仰軸角編碼器雖然總的精度滿足要求,但是在具體角度上,其精度遠低于要求,導(dǎo)致設(shè)備的瞬時測量值誤差較大?；诖?文中以俯仰軸角編碼器為例,提出了新的軸角編碼器誤差修正方法。

1 軸角編碼器基本情況介紹

軸角編碼器主要分為直接角度編碼器和間接角度編碼器兩種。直接角度編碼器將天線軸的角位移直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度數(shù)據(jù),可分為直讀式碼盤(如接觸式碼盤或光電碼盤[2])和“增量積累”的增量碼盤。間接角度編碼器是先將天線機械軸的轉(zhuǎn)角通過傳感器(如電位器)變?yōu)檫B續(xù)的物理量(電壓、時間間隔),然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度數(shù)據(jù)。

船載測量設(shè)備軸角編碼器采用使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度位移傳感器的軸角編碼器,并采用套軸式聯(lián)接來提高旋轉(zhuǎn)變壓器軸和天線機械軸間的耦合精度。

2 船載無線電測量設(shè)備軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用方法

船載測量設(shè)備軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用的方法主要分為兩步:第一步先檢測編碼器精度,若精度滿足指標要求(一般要求軸角編碼器精度比測量設(shè)備總精度高3～10倍[3]),則設(shè)備測角誤差可不進行編碼器誤差的修正;第二步,若編碼器精度不滿足指標要求,則通過殘差擬合進行誤差修正。

2.1 軸角編碼器精度檢測方法

對軸角編碼器精度檢測主要采用與高精度測角儀器直接比對的方法,具體檢測方法見參考文獻[4]。以俯仰軸角編碼器精度檢測為例,采用重力感應(yīng)角擺儀檢測其精度包括以下步驟:

1)將角擺儀安裝在測量設(shè)備俯仰旋轉(zhuǎn)中心;

2)將天線指向俯仰為0°左右的位置,設(shè)置間隔參數(shù)為10°并清角擺儀初始讀數(shù)為0°;

3)從下往上轉(zhuǎn)動天線進行上測,每轉(zhuǎn)動10°左右停轉(zhuǎn),并記錄角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci直到90°;上測結(jié)束后進行下測,將天線從俯仰90°左右位置向下轉(zhuǎn)動天線,每轉(zhuǎn)動10°左右停轉(zhuǎn),并記錄角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci直到0°;

4)按下式計算俯仰編碼器精度:

(1)

ΔEi=(Eci-Eji)-Σ(Eci-Eji)/n

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:n為測試的點數(shù);ΔEi為第i次上測或下測時俯仰軸角編碼器讀數(shù)與測角儀讀數(shù)之差的殘差;σ為俯仰軸角編碼器的上測或下測的均方根誤差;Δ為上測與下測回差;δ為編碼器精度。

2.2 軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用方法

軸角編碼器誤差的殘差擬合修正方法見參考文獻[5]。

3 船載測量設(shè)備軸角編碼器誤差修正改進方法

3.1 方法原理概述

從多次的實際檢測結(jié)果看,編碼器精度并不能完全反映編碼器誤差對設(shè)備測量誤差的影響,在某些角度上編碼器誤差可超過精度3倍以上,極大的影響了測量設(shè)備的測角值。為解決該問題,對原來的方法做了相關(guān)改進:

1)不再以軸角編碼器精度是否滿足要求作為誤差修正的先決條件;

2)提高檢測點密度,盡可能得到最真實的各個角度值上的實測誤差值;

3)使用具體角度值上的實測誤差值作為數(shù)據(jù)源擬合出角度測量值修正公式,直接對角度測量值進行修正而不是對最后的總測角精度進行修正,減少了中間環(huán)節(jié)誤差。

3.2 軸角編碼器誤差修正改進方法

3.2.1 誤差修正數(shù)據(jù)獲取

以俯仰軸角編碼器為例,采用3.1節(jié)中的方法,改變檢測點密度和角度范圍后得到角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci。依據(jù)檢測點密度與角度范圍的不同,得到3組實驗數(shù)據(jù):第一組為間隔5°一個檢測點,角度范圍為0°～180°,如表1;第二組為間隔1°一個檢測點,角度范圍為0°～90°,如表2;第三組為間隔0.3°一個檢測點,角度范圍為0°～6°,如表3。

表1 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測數(shù)據(jù)(5°間隔)

表2 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測數(shù)據(jù)(1°間隔)

表3 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測數(shù)據(jù)(0.3°間隔)

3.2.2 誤差修正方法改進

將表1、表2、表3中的數(shù)據(jù)使用式(6)進行處理以得到對應(yīng)的角度誤差值。

ΔEgi=(Eci-Eji)-(Ec1-Ej1)

(6)

式中:ΔEgi為俯仰軸角編碼器值誤差,即修正初始零值后的第i次上測或下測時俯仰軸角編碼器讀數(shù)與角擺儀讀數(shù)之差;Ec1為第1次上測或下測時俯仰軸角編碼器讀數(shù);Ej1為第1次上測或下測時角擺儀讀數(shù)。

表1數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示,表2數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表5所示,表3數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表6所示。

表4 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(5°間隔)

表5 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(1°間隔)

表6 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(0.3°間隔)

表4數(shù)據(jù)如圖1所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點所標數(shù)值為俯仰角度值。

圖1 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(5°間隔)

表5數(shù)據(jù)如圖2所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點所標數(shù)值為俯仰角度值。

圖2 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(1°間隔)

表6數(shù)據(jù)如圖3所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點所標數(shù)值為俯仰角度值。

圖3 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(0.3°間隔)

3組實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果:第一組數(shù)據(jù)所得角度值誤差近似峰峰值約35″,周期約為25°的余弦或正弦函數(shù);第二組數(shù)據(jù)所得瞬時值誤差近似峰峰值約30″,周期約為2.812 5°的余弦或正弦函數(shù);第三組數(shù)據(jù)所得瞬時值誤差近似峰峰值約30″,周期約為2.7°的余弦或正弦函數(shù)。

經(jīng)分析比較,第一組數(shù)據(jù)由于檢測間隔較大,誤差曲線不能完整反映編碼器誤差分布情況,但檢測角度范圍完整,偏心誤差可較明顯的反映出來;第二組數(shù)據(jù)與第三組數(shù)據(jù)基本吻合,認為較真實的反應(yīng)編碼器誤差分布情況,但所測角度范圍較窄,因此,對誤差曲線進行擬合時需結(jié)合第一組數(shù)據(jù)。

綜合3組誤差曲線數(shù)據(jù)分布規(guī)律,擬合可得該編碼器角度誤差近似公式:

ΔEg=-15sin(128Ec-90°)+0.08Ec-15

(7)

式中:Ec為編碼器讀數(shù),單位為(°);ΔEg為編碼器瞬時值誤差參數(shù),單位為(″)。

3.3 軸角編碼器誤差修正改進方法的效果驗證

將該設(shè)備執(zhí)行的多個任務(wù)的俯仰角測量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,經(jīng)式(7)修正后重新進行測量精度處理,并與原來的精度處理結(jié)果做比較。

下面給出4個進入的任務(wù)數(shù)據(jù)驗證情況,如表7所示:設(shè)備標準模式下2個進入的殘差均值分別變小了15.6″和14.9″,殘差均方根值分別變小了0.3″和變大了2.5″;擴頻模式下2個進入的殘差均值分別變小了16.3″和12.5″,殘差均方根值分別變小了4.8″和4.7″。

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果看,設(shè)備的俯仰系統(tǒng)誤差的殘差均值和隨機誤差的殘差均方根值均得到改善,設(shè)備俯仰角測角總精度較以往提高了約15″,軸角編碼器誤差修正效果較好。

表7 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差修正驗算情況

4 結(jié)束語

無線電測量設(shè)備軸角編碼器誤差對設(shè)備的測量精度有著直接影響,通過實測軸角編碼器在各角度值上的誤差并進行數(shù)學(xué)擬合,得到了誤差與角度值的關(guān)系公式,經(jīng)任務(wù)數(shù)據(jù)驗證,使用該公式進行軸角編碼器誤差修正后設(shè)備測量總精度較以往得到明顯提高。但該方法還存在一定的局限性,所得的誤差公式是由實測誤差值擬合而來,因此不同的軸角編碼器其誤差公式不同,即誤差公式不能通用。

[1] 趙業(yè)福, 李進華. 無線電跟蹤測量系統(tǒng) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001: 98.

[2] 羅世魁, 王國強, 王繼新, 等. 偽隨機碼在絕對式光電軸角編碼器中的應(yīng)用 [J]. 光學(xué)精密工程, 2003, 11(6): 596-601.

[3] 江文達, 陳道桂. 航天測量船 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002: 36-38.

[4] 鐘德安. 航天測量船測控通信設(shè)備標校與校飛技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009: 99-100.

[5] 鐘德安, 包飛, 張同雙, 等. 測量設(shè)備軸角編碼器誤差修正研究 [J]. 無線電工程, 2012, 42(9): 51-53.

Research on Error Correction in Axial Angle Encoder of Ship-borne Measuring Equipments

BAO Fei,NI Xing,ZHONG De’an,LIU Yang

(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangsu Jiangyin 214431, China)

When ship-borne wireless measuring devices are measuring and calibrating, they have 20″ to 30″ error value between the angle values got by measuring devices and that got by the earth measuring. According to tests, the problem is mainly caused by the error of axis angle encoder. So, new requirements were made for detection method of the axial angle encoder, detection density and scope increased, and correction formula of the encoder error was fit. After the test checking, the effect is better than the previous methods, the total accuracy of the measuring equipment has been improved by about 15″.

axial angle encoder; error correction; precision detection

2015-10-12

包飛(1981-),男,江蘇淮安人,工程師,碩士,研究方向:標校、校飛。

V557

A