付永杰，張耀民

(1.92493部隊，葫蘆島125000；2. 西安科技大學(xué)，西安 710054)

0 引言

目前，在慣導(dǎo)產(chǎn)品檢測校準(zhǔn)、艦船設(shè)備安裝、發(fā)射裝置對準(zhǔn)、隧道貫通等領(lǐng)域，以及部隊測繪保障、遠(yuǎn)程武器機動發(fā)射時的定向和瞄準(zhǔn)等方面通常采用陀螺經(jīng)緯儀、陀螺尋北儀或陀螺全站儀進行定向[1]。為了校準(zhǔn)陀螺經(jīng)緯儀、陀螺尋北儀、陀螺全站儀和慣導(dǎo)產(chǎn)品的尋北偏差，需要建立高精度的真北方位基準(zhǔn)[2]。實際上，我國建立了大量的室內(nèi)高精度真北方位基準(zhǔn)，主要用于慣導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢測、維護和使用環(huán)節(jié)中的測試設(shè)備引北和產(chǎn)品檢測校準(zhǔn)[3-5]。國內(nèi)很多單位先后建立了一些用于陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)的高精度真北方位基準(zhǔn)，諸如：北京長城計量測試技術(shù)研究所、國家測繪地理信息局第一大地測量隊、中國計量科學(xué)研究院、廣州計量院、中國地震局地震研究所、南京市計量監(jiān)督檢測院、上海市計量測試技術(shù)研究院、中船重工第719研究所等[6-8]。一般采用平面鏡或平行光管建立真北方位基準(zhǔn)。北京長城計量測試技術(shù)研究所的真北方位基準(zhǔn)集成在陀螺經(jīng)緯校準(zhǔn)裝置中，此種方法的優(yōu)勢是經(jīng)緯儀校準(zhǔn)裝置與真北方位基準(zhǔn)裝置可共用一個光管，缺點是陀螺經(jīng)緯由于連接端口與經(jīng)緯儀連接端口極大不一致。因此，需要在其他位置搭建臨時支架才能夠檢測陀螺經(jīng)緯儀。北京航天計量測試技術(shù)研究所建立的真北方位基準(zhǔn)，采用平面鏡與平行光管集成到一個墩上的方案，以此可實現(xiàn)不同瞄準(zhǔn)設(shè)備的北向校準(zhǔn)。由于均固定在一個墩上，發(fā)生地基變化對真北方位基準(zhǔn)數(shù)據(jù)難以比較檢測。同時此種方案需要強制對中裝置，不同的陀螺經(jīng)緯儀安裝接口不一致，均需要配作相應(yīng)接口，費時費力。中國計量科學(xué)研究院真北方位基準(zhǔn)是用2個互成某一夾角的平行光管建立的，同時放置被測陀螺經(jīng)緯儀的基巖墩外建有恒溫箱，該方案2個真北方位基準(zhǔn)可以直接比對，并可以對被測件進行高低溫環(huán)境試驗，缺點是此方案需要強制對中裝置。其余單位采用最多的則是單塊平面鏡方案。此種方案簡單，成本低，但是采用平面鏡集成到一個墩上的方案，存在發(fā)生地基變化對真北方位基準(zhǔn)數(shù)據(jù)難以比較檢測的問題；同時一些陀螺經(jīng)緯儀不具備準(zhǔn)直功能，需要采用互瞄方法方能實現(xiàn)北向測量，該方法費時，并且互瞄引進新的誤差影響校準(zhǔn)精度。英國諾丁漢大學(xué)、 德國GYROMAT公司，以及其他研究、測試和生產(chǎn)陀螺經(jīng)緯儀、尋北儀的單位也建有真北方位基準(zhǔn)[9-14]。

縱觀用于陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)的真北方位基準(zhǔn)的建立，需要考慮以下幾個問題[15-16]：

1)室外基準(zhǔn)不方便使用，而且氣象環(huán)境不穩(wěn)定、成像不清晰、需要調(diào)焦觀測。

2)高精度真北基準(zhǔn)標(biāo)定基本都采用北極星任意時角法，對天文經(jīng)緯度需求精度不高，無需用成本高昂的天文定位方法。

3)同時建立室外和室內(nèi)的基準(zhǔn)模式成本太高，而維持真北方位基準(zhǔn)重要的是穩(wěn)定可靠、互相檢核和周期檢測。

4)建立室內(nèi)真北基準(zhǔn)，為了一站天文定向而采用開天窗的辦法，建設(shè)成本太高，也不便于基準(zhǔn)保存以及滿足使用環(huán)境需求；而通過平行光管(包括用經(jīng)緯儀做平行光管使用)中轉(zhuǎn)式的方位傳遞模式，傳遞誤差大，基準(zhǔn)精度無法直接計算，只能按傳遞轉(zhuǎn)角估算，并且忽略了無法估計的顯著的對準(zhǔn)誤差與隨時變化的影響。

5)為了使得基準(zhǔn)地基穩(wěn)固，把基準(zhǔn)臺建造在基巖上，建設(shè)成本太高，也會受到城市地下水位變化和形變以及板塊運動的影響。

為了滿足尋北定向裝備的校準(zhǔn)需求，隨時對陀螺經(jīng)緯儀、尋北儀，以及慣性設(shè)備進行校準(zhǔn)，92493部隊建立了高精度室內(nèi)真北方位基準(zhǔn)，該方案同時建立3個真北方位基準(zhǔn)、 其中2個平行光管基準(zhǔn)和1個平面鏡基準(zhǔn)，3個基準(zhǔn)之間可以互相核驗，滿足了測量精度的需求和高可靠性的要求。

1 真北方位基準(zhǔn)建立方案

1.1 真北方位基準(zhǔn)構(gòu)成

陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)裝置主要由1個Φ 100mm平面鏡、2個1m平行光管和被校陀螺經(jīng)緯儀安置位置調(diào)整機構(gòu)等組成。示意圖如圖1所示。

圖1 陀螺經(jīng)緯儀校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.1 Scheme of gyro theodolite calibration device

其中，具有平面準(zhǔn)直特性的平面鏡固定在房間的最內(nèi)側(cè)基巖墩上，作為一個真北方位基準(zhǔn)，稱為西基準(zhǔn)W；另外2個平行光管沿著縱向分布，固定在成180°的2個基準(zhǔn)臺上，并設(shè)計調(diào)整機構(gòu)保證2只光管平行，作為另外2個真北方位基準(zhǔn)，分別稱為北基準(zhǔn)N和南基準(zhǔn)S 。

為了防止真北方位基準(zhǔn)意外變化和具備高可靠性，本方案設(shè)計采用2個平行光管和1個平面鏡維持基準(zhǔn)，以便互相檢核；為了保證真北方位基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，維持基準(zhǔn)的平面鏡和平行光管需要安裝在穩(wěn)固的基準(zhǔn)臺和地基上?；鶞?zhǔn)臺和地基應(yīng)具有足夠的剛度，避免在外載荷作用下產(chǎn)生過大的變形或傾斜。地基在擾力作用下不應(yīng)產(chǎn)生過大的振動，以免影響北向精度。因此，基準(zhǔn)臺和總地基采用鋼筋混凝土整體澆注而成，整體地基采用深埋和隔震護溝設(shè)計。基準(zhǔn)臺和總地基建好后放置一段時間(3個月)待沉降穩(wěn)定后進行初次標(biāo)定，并在1年后進行了復(fù)測。

1.2 真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定方法

建立高精度真北方位基準(zhǔn)時，一般采用天文定向方法，該方法采用北極星任意時角法測試天文方位角[17]。觀測北極星并記錄觀測時刻，觀測目標(biāo)方向，確定目標(biāo)方向的天文方位角。在室內(nèi)真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定需要明確真北方位基準(zhǔn)引北方法，同時規(guī)劃出光線位置以布置平面鏡及光管位置。真北方位基準(zhǔn)布測方案如圖2所示?；鶞?zhǔn)平面鏡固定在房間的最內(nèi)側(cè)，作為一個真北方位基準(zhǔn)，另外180°縱向分布2個平行光管，作為另外2個真北方位基準(zhǔn)。

圖2 真北方位基準(zhǔn)引入圖Fig.2 Scheme of true-north azimuth calibration

本方案采用雙站觀測天文引北方法[2]。該方法采用2臺經(jīng)緯儀同步對向觀測方法，把室外觀測方位直接傳遞到室內(nèi)基準(zhǔn)平面鏡和平行光管上。

具體方法如下：

1)在A、B兩處各安置1臺0.5″ Leica5100A經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀A分別瞄準(zhǔn)經(jīng)緯儀B和北極星C，得到∠CAB右轉(zhuǎn)角；

2)經(jīng)緯儀B與經(jīng)緯儀A互瞄，根據(jù)∠CAB和北極星的方位角N可計算出AB的方位角，根據(jù)子午線收斂角可計算出BA的方位角；

3)經(jīng)緯儀B分別瞄準(zhǔn)觀測無窮遠(yuǎn)目標(biāo)M1、M2，并與平面鏡M3準(zhǔn)直，得到∠ABM1、 ∠ABM2、 ∠ABM3右轉(zhuǎn)角，根據(jù)BA的方位角從而獲得M1、M2、M3的方位角。

1.3 標(biāo)定主要技術(shù)措施

真北方位基準(zhǔn)是采用高精度的北極星任意時角法測定真北方位的，采用的主要技術(shù)措施如下：

1)真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定方法采用雙臺經(jīng)緯儀天文定向方法直接標(biāo)引到室內(nèi)3個基準(zhǔn)裝置上，并且每半測回把方位傳遞到基準(zhǔn)上；

2)為了高精度標(biāo)定室內(nèi)真北方位基準(zhǔn)，采用了Leica5100A 0.5″級的自準(zhǔn)直電子經(jīng)緯儀；

3)室外1臺經(jīng)緯儀觀測北極星，室內(nèi)1臺經(jīng)緯儀觀測平行光管和平面鏡，室內(nèi)外經(jīng)緯儀通過窗戶對向觀測，其觀測過程中不允許調(diào)焦；

4)對于天文定向所需的天文經(jīng)緯度則采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)偽距定位的簡單方法獲取，并顧及了垂線偏差影響[2,17]；

5)采用2個晚上的時間段進行觀測，主要用以檢核基準(zhǔn)設(shè)備安裝和觀測儀器設(shè)置的穩(wěn)定性；

6)對于觀測天體的時間系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)世界時(Coordinated Universal Time, UTC)，并確保記錄的時間精確度不低于0.2s；

7)為了獲取基準(zhǔn)觀測臺上的真北方位角，考慮了子午線收斂角改正，把過室外觀測點的方位角歸算至室內(nèi)儀器觀測點的方位角；

8)對于最終標(biāo)定的真北方位角進行了極移改正，歸算至我國JYD1968.0極移坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 天文定向計算方法

在室外進行天文定向可參照文獻(xiàn)[18]中的技術(shù)要求，采用北極星任意時角天文定向方法，通過觀測任意時刻北極星的水平度盤位置并記錄觀測的UTC時刻，測定被測方向的天文方位角。

考慮經(jīng)緯儀視軸差的高精度天文方位角觀測可按式(1)計算方位角：

(1)

其中：

式中：N為天體半測回度盤觀測值；DA為一測回室內(nèi)目標(biāo)度盤位置均值；L為盤左度盤位置；R為盤右度盤位置；s為觀測天體時刻的地方恒星時；α為考慮了周日視差和光行差的天體測站視赤經(jīng)；δ為考慮了周日視差和光行差的天體測站視赤緯；φ為測站天文緯度。

由于采用雙測站天文定向觀測方法進行方位傳遞測量，在真北方位基準(zhǔn)測定了n個測回的獨立的方位觀測值，其天文定向的測定精度m評定可按式(2)計算。

(2)

式中：ms為天文定向單測回的標(biāo)準(zhǔn)差；n為測回數(shù)。

3 標(biāo)定結(jié)果

3.1 實測數(shù)據(jù)

由于采用了有效的標(biāo)定方法，標(biāo)定計算都是實時計算的，可以隨時得到定向結(jié)果，以便及時采取措施，獲得穩(wěn)定的觀測結(jié)果。

2017年10月19和20日夜晚在室內(nèi)外溫差和濕度差很大的環(huán)境下，僅通過2個時段總共6個測回觀測，利用室內(nèi)基準(zhǔn)6個測回的觀測結(jié)果計算的3個真北方位的平均值均方誤差分別高達(dá)0.17″、0.18″、0.20″；2018年10月11和12日進行了復(fù)測，3個真北方位的平均值中誤差分別為0.47″、0.30″、0.48″，復(fù)測3個基準(zhǔn)變化分別為+3.84″、+1.96″、+3.80″。由此看出：盡管是新建基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)很穩(wěn)定，技術(shù)措施和方法非常有效。這里僅給出其中1個平行光管基準(zhǔn)的標(biāo)定結(jié)果，如表1所示。

表1 天文定向?qū)崪y結(jié)果

4 結(jié)論

為了解決不同瞄準(zhǔn)方式的陀螺經(jīng)緯儀和尋北儀的校準(zhǔn)問題，采用組合式北向定位方法，建立了準(zhǔn)直法向北向基準(zhǔn)和無窮遠(yuǎn)目標(biāo)北向基準(zhǔn)，實現(xiàn)了一套校準(zhǔn)裝置同時滿足不同瞄準(zhǔn)方式的陀螺尋北儀校準(zhǔn)。采用天文定向方法進行引北賦值，提出了用2臺高精度經(jīng)緯儀同步對向觀測的方法，把室外觀測方位直接傳遞到室內(nèi)基準(zhǔn)平面鏡和平行光管上，對其進行引北賦值，計算得到的3個真北方位的平均值中誤差分別高達(dá)0.17″、0.18″、0.20″，均優(yōu)于大地天文測量中北向方位角的一級精度±0.5″。1年后進行復(fù)測，3個真北方位的平均值中誤差分別為0.47″、0.30″、0.48″，復(fù)測3個基準(zhǔn)變化分別為+3.84″、+1.96″、+3.80″，1年后的基準(zhǔn)變化穩(wěn)定在4″以內(nèi)。測量結(jié)果表明，所建立的室內(nèi)真北方位基準(zhǔn)穩(wěn)定，采用的技術(shù)措施和方法有效，滿足尋北定向裝備的校準(zhǔn)需求。