包 飛,鐘德安,向 頡,馮鴻奎,康 凱

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰 214431)

0 引言

航天測(cè)量船慣導(dǎo)設(shè)備在塢內(nèi)標(biāo)校中通過水平取齊[1]獲取水平姿態(tài)零值,但由于其本身設(shè)備的特性,在出塢后的使用過程中會(huì)發(fā)生零值漂移,零值漂移量在習(xí)慣上被稱為漂移零值或者新零值,在數(shù)學(xué)上表示為動(dòng)態(tài)測(cè)量殘差均值。為提高測(cè)量船上雷達(dá)設(shè)備的綜合外測(cè)精度,應(yīng)及時(shí)修正慣導(dǎo)新零值。文中研究的零值測(cè)量方法中的零值指的就是取齊后產(chǎn)生的新零值。

在航天測(cè)量船系泊或航行等動(dòng)態(tài)條件下,對(duì)航天測(cè)量船慣導(dǎo)設(shè)備水平零值的測(cè)量主要采用慣導(dǎo)設(shè)備間的相互比對(duì)法和經(jīng)緯儀測(cè)星解算法[2]。慣導(dǎo)設(shè)備間的相互比對(duì)法屬同等精度間的互比,只能定性分析問題。經(jīng)緯儀測(cè)星解算法受經(jīng)緯儀本身測(cè)星精度和軸系誤差標(biāo)定精度等因素影響,測(cè)量精度與慣導(dǎo)零值相近[3],達(dá)不到三分之一精度的鑒定要求。而電子水平儀靜態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于1″,且本身零值修正方便,若電子水平儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度能優(yōu)于3″,則可使用電子水平儀標(biāo)定慣導(dǎo)的水平零位,從而及時(shí)修正慣導(dǎo)水平零值。

該方法的研究思路主要分為三步:

第一步:改造電子水平儀,增加動(dòng)態(tài)測(cè)量功能,同時(shí)為便于與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)比較還需增加外部時(shí)間同步功能。

第二步:構(gòu)建電子水平儀動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)系統(tǒng),包括組成硬件、檢測(cè)方法以及數(shù)據(jù)處理方法。

第三步:通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分布規(guī)律,研究慣導(dǎo)設(shè)備水平零值的測(cè)量方法。

1 電子水平儀改造

通常電子水平儀系統(tǒng)由1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1臺(tái)主機(jī)和相應(yīng)的傳感器組成。為實(shí)現(xiàn)電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量功能以及外部時(shí)間同步功能,研制了一臺(tái)電子水平儀同步數(shù)據(jù)采集儀取代原來(lái)的主機(jī)。

電子水平儀同步數(shù)據(jù)采集儀在電路設(shè)計(jì)上采用時(shí)間同步模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊、控制模塊和電源模塊架構(gòu)。電路組成框圖如圖1所示。

圖1 電子水平儀同步數(shù)據(jù)采集儀電路框圖

1)時(shí)間同步模塊

時(shí)間同步模塊負(fù)責(zé)解碼外部B(DC)碼信號(hào),產(chǎn)生同步的本地時(shí)間信號(hào)與頻率信號(hào),主要采用LV4256和LPC932A1芯片完成相關(guān)功能。

2)模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊負(fù)責(zé)將EDA2000°水平儀傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字補(bǔ)碼數(shù)據(jù),主要采用AD7606- 4芯片完成相關(guān)功能[4-5]。

為預(yù)防干擾,該模塊印制電路板的模擬部分與數(shù)字部分進(jìn)行了分離設(shè)計(jì),模擬部分與數(shù)字部分分割地層,模擬地和數(shù)字地通過0歐姆電阻單點(diǎn)連接。AD7606- 4芯片的REFIN/REFOUT、REFCAPA、REFCAPB、REGCAP引腳以及ADR421的Vin引腳采用低ESR的陶瓷電容進(jìn)行去耦[6],從而降低AD7606的電源阻抗及其電源尖峰幅度,提高采樣的準(zhǔn)確性。

3)控制模塊

控制模塊負(fù)責(zé)按照一定的頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)化電路工作、讀取時(shí)間同步電路的本地時(shí)間信息以及向外部接口發(fā)送處理好的傳感器測(cè)量值、測(cè)量時(shí)間、工作狀態(tài)等信息。控制模塊主要采用LPC932A1芯片完成相關(guān)功能。

4)電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)提供2路15 V的傳感器工作電壓、1路5 V的數(shù)字電路工作電壓以及1路5 V的模擬電路工作電壓。

設(shè)備研制完成后進(jìn)行了相關(guān)功能與靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試。經(jīng)過48 h測(cè)試,設(shè)備各功能正常,同步精度優(yōu)于30 μs,30 min靜態(tài)水平姿態(tài)測(cè)量穩(wěn)定度約為0.5″。

2 電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差檢測(cè)

為研究電子水平儀系統(tǒng)在系泊狀態(tài)下的測(cè)量誤差,研究建立了一套檢測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備組成圖

該系統(tǒng)主要包括1臺(tái)搖擺臺(tái)(含控制計(jì)算機(jī)),1臺(tái)激光陀螺慣導(dǎo),2臺(tái)水平儀傳感器,1臺(tái)電子水平儀同步數(shù)據(jù)采集儀,1臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)(含記錄軟件與數(shù)據(jù)處理軟件),1臺(tái)時(shí)碼產(chǎn)生器(含GPS天線)。其中,搖擺臺(tái)可三維搖擺,搖擺規(guī)律可任意設(shè)定,搖擺精度優(yōu)于2″。激光陀螺慣導(dǎo)校準(zhǔn)后,水平測(cè)量精度優(yōu)于1″。

2.2 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

由于電子水平儀靜態(tài)測(cè)量精度很高,優(yōu)于1″,所以采用以電子水平儀靜態(tài)測(cè)量值為真值,檢測(cè)其動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的方法。

2.2.1 搖擺臺(tái)輸入數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

為充分研究動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的分布規(guī)律,設(shè)計(jì)了3類振蕩環(huán)境模擬數(shù)據(jù),分別是正弦波振蕩數(shù)據(jù)、系泊條件下振蕩模擬數(shù)據(jù)和海上條件下振蕩模擬數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)分為連續(xù)數(shù)據(jù)和斷續(xù)數(shù)據(jù)兩部分,其中斷續(xù)數(shù)據(jù)是對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)的斷續(xù)化,每10 s設(shè)計(jì)20個(gè)斷點(diǎn),每個(gè)斷點(diǎn)停留5 s,被斷續(xù)的數(shù)據(jù)源時(shí)間長(zhǎng)度約3 min。

2.2.2 檢測(cè)步驟

步驟1:將電子水平儀傳感器放置于一個(gè)高精度三維搖擺臺(tái)上,并使電子水平儀傳感器的敏感軸與捷聯(lián)慣導(dǎo)的橫搖敏感軸盡量平行。

步驟2:在三維搖擺臺(tái)靜止?fàn)顟B(tài)下,開啟捷聯(lián)慣導(dǎo)。

步驟3:啟動(dòng)搖擺臺(tái),使搖擺臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)好的搖擺輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行搖擺,記錄電子水平儀同步數(shù)據(jù)采集儀輸出值αi(i=1,2,3,…,n,為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù))和捷聯(lián)慣導(dǎo)的輸出值橫搖角φj、縱搖角ψj(j=1,2,3,…,n,為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù))。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

(1)

步驟3:依據(jù)步驟2中捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出值φj、ψj,從相對(duì)應(yīng)的連續(xù)實(shí)驗(yàn)記錄的電子水平儀數(shù)據(jù)中挑選出相同捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出值和運(yùn)動(dòng)方向的測(cè)量數(shù)據(jù)ak。

(2)

(3)

2.3 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 新水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量殘差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分布規(guī)律研究

3.1 正弦波模擬輸入條件下誤差分布規(guī)律研究

理論上,電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差主要受加速度影響,動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差變化規(guī)律應(yīng)和加速度保持一致,加速度變大時(shí),動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差變大,加速度方向取反時(shí),動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差值取反。設(shè)加速度影響函數(shù)為f(αk),則各點(diǎn)測(cè)量值可表示為：

(4)

將式(4)代入到式(2)中,可得新的殘差均值公式:

(5)

由于在一個(gè)正弦振蕩周期內(nèi),各采樣點(diǎn)的加速度值一般呈正負(fù)對(duì)稱分布,一個(gè)周期內(nèi)f(αk)之和理論上應(yīng)為0,因此,通過式(5)計(jì)算所得的殘差均值應(yīng)為0″。

對(duì)4組正弦模擬實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,除超過保精度量程的“±60′正弦”實(shí)驗(yàn)外,其它實(shí)驗(yàn)所得到的殘差均值均優(yōu)于1″,考慮到其他一些精度影響,實(shí)測(cè)結(jié)果與式(5)計(jì)算的理論結(jié)果是一致的。此外,四組殘差曲線的變化規(guī)律均與加速度變化一致,如圖3為“±10′正弦”實(shí)驗(yàn)的輸入波形,圖4為“±10′正弦”實(shí)驗(yàn)所得的殘差曲線,圖4中殘差曲線變化規(guī)律與振蕩過程中的加速度的變化是一致的。

圖3 “±10′正弦”實(shí)驗(yàn)輸入波形

圖4 “±10′正弦”實(shí)驗(yàn)所得的殘差曲線

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:新電子水平儀動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差動(dòng)主要受加速度影響,其它誤差影響較小。

3.2 系泊狀態(tài)下誤差分布規(guī)律研究

系泊條件下的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差檢測(cè)共進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)所得的殘差均值分別為-0.003 36″和1.107 124″。如圖5為“XX5船系泊狀態(tài)”實(shí)驗(yàn)輸入波形,圖6為“XX5船系泊狀態(tài)”所得殘差曲線。結(jié)合3.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,可以推出以下結(jié)論:在滿足一定數(shù)據(jù)量的情況下,系泊條件下各采樣點(diǎn)的加速度之和存在歸零的特性或者說動(dòng)態(tài)誤差殘差均值存在歸零的特性。

圖5 “XX5船系泊狀態(tài)”實(shí)驗(yàn)輸入波形(橫搖)

圖6 “XX5船系泊狀態(tài)”實(shí)驗(yàn)所得殘差曲線(橫搖)

4 系泊狀態(tài)下慣導(dǎo)水平零值測(cè)量方法研究

1)設(shè)放置在電子水平儀專用測(cè)量平臺(tái)上的電子水平某方向水平測(cè)量值為αi,同時(shí)刻慣導(dǎo)同方向水平測(cè)量值為φi,慣導(dǎo)平臺(tái)和電子水平儀專用測(cè)量平臺(tái)在同方向上水平差為ωz,新電子水平儀零值為αz,慣導(dǎo)取齊時(shí)該方向上水平零值為φz,慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差di。

2)按照式(6)計(jì)算殘差均值,i為某時(shí)刻采樣點(diǎn)編號(hào),αi和φi通過時(shí)間標(biāo)志對(duì)齊;

(6)

3)將式(4)和相關(guān)零值參數(shù)代入式(6),可得:

(7)

4)將差值ωz代入式(7),可得:

(8)

由3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知在系泊低動(dòng)態(tài)條件下滿足一定數(shù)據(jù)量時(shí)可認(rèn)為加速度之和存在歸零的特性,因此式(8)可化簡(jiǎn)為:

(9)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過前期的相關(guān)研究,推導(dǎo)出了新電子水平儀在系泊低動(dòng)態(tài)條件下慣導(dǎo)水平零值計(jì)算公式。文中的研究成果主要用于航天測(cè)量船在本船碼頭實(shí)施的慣導(dǎo)零值標(biāo)定工作,由于水紋等條件不同,其它測(cè)量環(huán)境下,該方法是否適用,還需具體研究。