付永杰

（92493 部隊，遼寧葫蘆島125000）

1 引 言

陀螺尋北儀由高精度雙軸動力調(diào)諧陀螺測量地球自轉(zhuǎn)角速度，自主確定所附載體的真北方向值［1］。 按照陀螺儀原理，它能根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量自動尋找并跟蹤地理北向，并能夠精確測定地面點(diǎn)的方位角。 與傳統(tǒng)北向儀器陀螺羅經(jīng)和磁羅盤相比，其具有全天候，機(jī)動性強(qiáng)、自主定向精度高、定向速度快、使用簡單方便，便于攜帶的優(yōu)勢［2］。 陀螺尋北儀主要應(yīng)用于雷達(dá)、天線、軍用車輛初始對準(zhǔn)和方向控制。 由于陀螺尋北儀是用于定向的儀器，其尋北精度是陀螺尋北儀最主要的技術(shù)指標(biāo)。 目前，關(guān)于陀螺尋北儀的現(xiàn)場校準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。 各研制單位和生產(chǎn)廠家均是采用自行編制的單項專用或野外方法進(jìn)行測試評估［3］。目前，國內(nèi)外有一些陀螺尋北儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建立北向方位角基準(zhǔn)。 其主要方法是在地面建立兩個大地測量點(diǎn)，按照大地測量的方法埋設(shè)地標(biāo)，形成一條方位基準(zhǔn)邊或通過平行光管或平面鏡將標(biāo)準(zhǔn)引出［4］。 國外如：英國諾丁漢大學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室建立了長為43.136m 的基線，兩端埋設(shè)了十分堅固的基石，將室外已知天文方位角傳遞到這條基線上，為陀螺儀檢測和儀器常數(shù)的標(biāo)定提供了一個理想的條件。 德國GYROMAT2000 陀螺尋北儀也建有相應(yīng)定向精度校準(zhǔn)裝置。 在國內(nèi)，西安測繪研究所也建有陀螺尋北儀校準(zhǔn)裝置［5］。 北京長城計量測試技術(shù)研究所也有陀螺經(jīng)緯校準(zhǔn)裝置，它是用一個平行光管作為北向方位角。 北京航天計量測試技術(shù)研究所建立的北向基準(zhǔn)，采用平面鏡與平行光管集成到一個墩上的方案，來實(shí)現(xiàn)陀螺尋北儀的尋北精度校準(zhǔn)。 在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)基巖墩，在基巖墩上安放平行光管或者平面鏡，再對其進(jìn)行引北賦值的方法，精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，但是無法在現(xiàn)場進(jìn)行測試。 現(xiàn)在使用中的大部分陀螺尋北儀安裝在車輛上，不能卸載下來。

本文提出了一種陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，解決陀螺尋北儀的現(xiàn)場校準(zhǔn)問題。

2 陀螺尋北儀校準(zhǔn)原理

2.1 基本術(shù)語

天文方位角：過某點(diǎn)的重力線在大地水準(zhǔn)面上的交點(diǎn)的天文子午面到過該交點(diǎn)的重力切線和過另一點(diǎn)的重力線的大地水準(zhǔn)面上的交點(diǎn)所組成的平面的夾角［6］。

儀器常數(shù)：陀螺經(jīng)緯儀陀螺軸穩(wěn)定位置的子午面與地面的交線與真子午線的夾角［6］。

尋北時間：從啟動陀螺電機(jī)到顯控裝置顯示出真北方向的時間［7］。

尋北重復(fù)性是以陀螺經(jīng)緯儀一測回定向標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來評定的。 尋北精度由尋北重復(fù)性定義［8］。

2.2 使用的測量標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

陀螺尋北儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備主要是方位角標(biāo)準(zhǔn)和計時器。 方位角標(biāo)準(zhǔn)一般用已經(jīng)進(jìn)行引北賦值的平行光管或平面鏡組成，方位角測量標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于儀器標(biāo)稱值的1／4。 計時器一般用秒表，秒表分辨率≤1s。

2.3 校準(zhǔn)項目

陀螺尋北儀的校準(zhǔn)項目主要包括儀器常數(shù)、尋北重復(fù)性（即尋北儀精度）和尋北時間。

2.4 工作原理

陀螺尋北儀的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)采用直接測量法進(jìn)行［6］。

1）儀器常數(shù)

陀螺經(jīng)緯儀的儀器常數(shù)在方位角標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行校準(zhǔn)。 將儀器安裝在工作臺上，精確整平，使陀螺經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與方位目標(biāo)精確瞄準(zhǔn)或準(zhǔn)直，進(jìn)行尋北觀測，獲得方位角測量值A(chǔ)1，此為一次測量，按照上述操作至少進(jìn)行6 次獨(dú)立測量，分別得方位角測量值A(chǔ)i。 按式（1）計算儀器常數(shù)為

式中：Δ——儀器常數(shù)，（o′″）；Ai——第i 次方位角測量值，（°′″）；A0——方位角標(biāo)準(zhǔn)值，（°′″）；n——測量次數(shù)（i ＝1，2，…，n）。

2）尋北重復(fù)性

在儀器常數(shù)校準(zhǔn)結(jié)束后，按式（2）計算尋北重復(fù)性

式中：s——尋北重復(fù)性，（″）；Ai——第i 次方位角測量值，（″）；——n 次方位角測量值的平均值，（″）。

計算得的尋北重復(fù)性即是設(shè)備的尋北精度。

3）尋北時間

在儀器常數(shù)校準(zhǔn)時，用計時器記錄尋北開始到顯示真北方向的時間，取多次測量時間的最大值作為尋北時間T。

3 陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

陀螺尋北儀的現(xiàn)場校準(zhǔn)采用傳遞比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。 使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備主要有高精度陀螺經(jīng)緯儀、平行光管、北向基準(zhǔn)引出塊和秒表組成。 其中高精度陀螺經(jīng)緯儀用于產(chǎn)生北向基準(zhǔn)。 平行光管經(jīng)高精度陀螺經(jīng)緯儀賦值后，可以作為帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀方位角標(biāo)準(zhǔn)，同時也作為北向傳遞途徑。 北向基準(zhǔn)引出塊由測量基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)引出平面鏡構(gòu)成，作為無瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀方位角標(biāo)準(zhǔn)。 秒表用來測量尋北時間。

首先，用實(shí)驗(yàn)室陀螺尋北儀校準(zhǔn)裝置，對高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后，利用校準(zhǔn)后的高精度陀螺經(jīng)緯儀作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，對平行光管進(jìn)行引北賦值，利用平行光管為北向傳遞途徑，采用與北向光管平行的基準(zhǔn)面將北向基準(zhǔn)引入到基準(zhǔn)面上實(shí)現(xiàn)與被測陀螺尋北儀的基準(zhǔn)對齊，平行光管和基準(zhǔn)面作為現(xiàn)場校準(zhǔn)時的方位角標(biāo)準(zhǔn)，用于現(xiàn)場校準(zhǔn)陀螺尋北儀。 陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置中的方位角標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引北賦值，再用賦值后的方位角標(biāo)準(zhǔn)作為北向基準(zhǔn)，校準(zhǔn)車載陀螺尋北儀。

現(xiàn)有陀螺尋北儀主要有兩類，一類是帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀，另一類是不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀［9］。

1）帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

用高精度陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，對平行光管進(jìn)行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準(zhǔn)。 高精度陀螺經(jīng)緯儀測量方位角值α，把高精度陀螺經(jīng)緯儀從基座上取下來，把被測的陀螺尋北儀放在基座上，用被測陀螺尋北儀測量方位角值α1，由式（2）計算尋北精度。 測量原理圖如圖1所示。

圖1 帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Field calibration principle diagram of the gyro north finder with sight

2）不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

用高精度陀螺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，對平行光管進(jìn)行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準(zhǔn)，通過北向基準(zhǔn)引出塊引出平面將平行光管的北向光軸引出變成被測陀螺尋北儀的可測基準(zhǔn)，當(dāng)帶有側(cè)面基準(zhǔn)的被測陀螺尋北儀靠緊北向基準(zhǔn)引出塊引出平面后即可確定被測陀螺尋北儀的北向方位角值α1，由式（2）計算尋北精度。 測量原理如圖2所示。

圖2 不帶瞄準(zhǔn)鏡的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Field calibration principle diagram of the gyro north finder without sight

4 陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法測量結(jié)果不確定度分析

采用本文提出的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，由高精度陀螺尋北儀、平行光管、北向基準(zhǔn)引出塊組成的現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，根據(jù)其測量原理，測量不確定度來源如下。

1）選用北京博飛GTS－1 高精度陀螺經(jīng)緯儀作為北向傳遞標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后，該設(shè)備北向定向的誤差引起的不確定度為u1＝10.0″；

2）選用平面度為0.2μm 平面鏡作為基準(zhǔn)引出平面鏡，由基準(zhǔn)引出平面鏡平面度及平行度引起的不確定度為u2＝5.0″；

3）選用焦距為550mm 的平行光管作為方位角標(biāo)準(zhǔn)，由平行光管瞄準(zhǔn)誤差引起的不確定度為u3＝1.0″；

4）由平行光管與基準(zhǔn)平面鏡測量及調(diào)整不平行的誤差引入的不確定度u4＝6.0″；

5）除上述這些影響測量精度的主要因素外，還有由于放置方式等因素引起的測量不確定度，該項不確定度為u5＝2″。

擴(kuò)展不確定度為U ＝2uC＝12.8″×2 ＝26″（k ＝2）。

經(jīng)測量不確定度分析與評定，用提出的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置，可校準(zhǔn)尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀。 在實(shí)際應(yīng)用中，通過提高傳遞用高精度陀螺經(jīng)緯儀的技術(shù)指標(biāo)，可以提高該方法的測量精度。

5 結(jié)束語

本文提出的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，采用比較測量方法，用高精度陀螺尋北儀作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場對方位角基準(zhǔn)平行光管和平面鏡進(jìn)行引北賦值，可實(shí)現(xiàn)帶瞄準(zhǔn)鏡和不帶瞄準(zhǔn)鏡的尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀現(xiàn)場校準(zhǔn)，解決了車載陀螺尋北儀無法現(xiàn)場校準(zhǔn)的問題。 實(shí)踐證明，該方法在陀螺尋北儀尋北儀精度的現(xiàn)場校準(zhǔn)有較好的應(yīng)用前景。