楊海金，郝 芳，郭 明，張 平，高雪軍，朱佳麗，費程波，卞臻臻，梁 琦

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫 214035）

引言

隨著慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備利用慣導(dǎo)的慣性測姿優(yōu)勢進(jìn)行一定的姿態(tài)測量，而這種測量過程中通常將光電測量設(shè)備與慣導(dǎo)相結(jié)合[1-2]，形成捷聯(lián)式的安裝形式，既保證了設(shè)備的精度要求，也提高了設(shè)備的綜合可靠性。

在新型的光電校靶產(chǎn)品中，利用自準(zhǔn)直儀與慣導(dǎo)的各自優(yōu)勢，發(fā)揮光電自準(zhǔn)直儀的光學(xué)特性實現(xiàn)光學(xué)軸線對準(zhǔn)，繼而通過慣導(dǎo)獲取出光學(xué)軸線的慣性姿態(tài)，實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的空間軸線姿態(tài)測量。通過這種軸線姿態(tài)的測量方式[3-5]，可以實現(xiàn)對相應(yīng)產(chǎn)品的慣性測量。在該類設(shè)備中，需要將自準(zhǔn)直儀的光軸與慣導(dǎo)的軸線校準(zhǔn)一致，使得兩者的姿態(tài)關(guān)系差最小，關(guān)系差越小則可以獲得越高的測姿精度。而對這類產(chǎn)品的校正往往受到各類不確定因素的影響，從而使得測姿精度下降[6-7]。

本文基于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)軸線的表征和實際應(yīng)用，通過分析光機(jī)校正和光電校準(zhǔn)兩種校準(zhǔn)方法，對捷聯(lián)軸線一致性校準(zhǔn)產(chǎn)生的精度進(jìn)行了詳細(xì)分析，并總結(jié)了該類技術(shù)問題的校正方法及調(diào)校措施，為以后該類產(chǎn)品的校準(zhǔn)提供了參考。

1 光機(jī)校正方法

慣導(dǎo)為捷聯(lián)式，其數(shù)字軸系是在三軸轉(zhuǎn)臺上通過標(biāo)定建立的[8-10]，對外表現(xiàn)為安裝靠面，因此可利用該靠面對自準(zhǔn)直光軸進(jìn)行校準(zhǔn)。圖1為光機(jī)校正示意圖。

自準(zhǔn)直儀安裝于慣導(dǎo)基準(zhǔn)面A上，其光軸需和慣導(dǎo)橫滾軸平行，而慣導(dǎo)橫滾軸可用基準(zhǔn)面B的垂直線代表[11]。校正時將一平晶緊靠基準(zhǔn)面B上，前方放置一自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀對平晶進(jìn)行自準(zhǔn)，此時自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀光軸與平晶表面垂直，即是同慣導(dǎo)橫滾軸平行；取下平晶，自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀方位和俯仰保持不變；通過自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀觀察自準(zhǔn)直儀出射的分劃；調(diào)整自準(zhǔn)直儀的安裝方向，使其出射分劃瞄準(zhǔn)自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀分劃，即認(rèn)為慣導(dǎo)光軸與自準(zhǔn)直儀光軸一致。

光機(jī)校正的精度一般都不高，其主要誤差來源于基準(zhǔn)面B與慣導(dǎo)軸的垂直性，目前捷聯(lián)慣導(dǎo)是通過基準(zhǔn)面固定在三軸轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行標(biāo)定和測試[12-13]，而臺體上慣導(dǎo)的安裝面與轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸垂直性要求不高，這就直接影響慣導(dǎo)基準(zhǔn)面與慣導(dǎo)軸之間的垂直性，影響了校準(zhǔn)的精度。因此在高精度系統(tǒng)中必須采用更高精度的校正方法。

2 光電校準(zhǔn)方法

捷聯(lián)慣導(dǎo)軸為數(shù)字虛擬軸，如果知道自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸的角度偏差，即可通過數(shù)學(xué)計算方法將慣導(dǎo)軸轉(zhuǎn)換到一個與自準(zhǔn)直光同軸的軸系中[12-13]，而自準(zhǔn)光軸與慣導(dǎo)軸的偏差可由下列方法得到。

將2面平面反射鏡成一定夾角水平放置，并利用自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀將每面反射鏡的法線調(diào)整至水平狀態(tài)，再測量出2面反射鏡在水平向的夾角α，如圖2所示，則2面反射鏡的姿態(tài)變化為：方位α，俯仰0°。

圖2 光電校準(zhǔn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of photoelectric correction

將慣導(dǎo)組件上電、自對準(zhǔn)后，用慣導(dǎo)上的自準(zhǔn)直儀對反射鏡1進(jìn)行光學(xué)自準(zhǔn)，并記錄此時慣導(dǎo)組件的姿態(tài)數(shù)據(jù)；再用自準(zhǔn)直儀對反射鏡2進(jìn)行光學(xué)自準(zhǔn)，并記錄此時慣導(dǎo)組件的姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸之間存在著角度偏差，所以慣導(dǎo)姿態(tài)變化將不會是方位α、俯仰0°，將偏差分別設(shè)為方位Δα、俯仰Δβ。

圖3為自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸在方位向偏差角γ為0.02°、0.05°、0.1°時（經(jīng)過粗校后值較?。?，反射鏡夾角α與偏差Δα、Δβ之間的關(guān)系。

圖3 水平向偏差時反射鏡水平夾角對慣導(dǎo)軸偏差的影響Fig.3 Influence of mirror horizontal angle on inertial navigation axis deviation at horizontal deviation

圖4為自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸在俯仰向偏差角λ為0.02°、0.05°、0.1°時（經(jīng)過粗校后值較?。?，反射鏡夾角α與偏差Δα、Δβ之間的關(guān)系。

圖4 俯仰向偏差時反射鏡水平夾角對慣導(dǎo)軸偏差的影響Fig.4 Influence of mirror horizontal angle on inertial navigation axis deviation at pitching deviation

可以看出，當(dāng)慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在方位向存在偏差時，用2面水平成夾角的反射鏡測量出的慣導(dǎo)姿態(tài)變化幾乎和反射鏡姿態(tài)變化一致。而當(dāng)慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在俯仰向存在偏差時，慣導(dǎo)姿態(tài)變化與反射鏡姿態(tài)變化差異明顯，特別是俯仰向的差異。在α=180°時，偏差Δβ幾乎是偏差λ的兩倍，因此可根據(jù)2次慣導(dǎo)的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)近似擬合出慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在俯仰向的偏差角。

同樣將2面平面反射鏡成一定夾角垂直放置，并利用自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀將每面反射鏡的法線調(diào)整在垂直面內(nèi)，再測量出2面反射鏡在俯仰向的夾角β，如圖5所示，則2面反射鏡的姿態(tài)變化為：方位0°，俯仰β。

圖5為自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸在方位向偏差角γ為0.02°、0.05°、0.1°時（經(jīng)過粗校后值較小），反射鏡夾角β與偏差Δα、Δβ之間的關(guān)系。

圖5 方位向偏差時反射鏡垂直夾角對慣導(dǎo)軸偏差的影響Fig.5 Influence of mirror vertical angle on inertial navigation axis deviation at azimuth deviation

圖6為自準(zhǔn)直光軸與慣導(dǎo)軸在方位向偏差角λ為0.02°、0.05°、0.1°時（經(jīng)過粗校后值較?。?，反射鏡夾角β與偏差Δα、Δβ之間的關(guān)系。

圖6 俯仰向偏差時反射鏡垂直夾角對慣導(dǎo)軸偏差的影響Fig.6 Influence of mirror vertical angle on inertial navigation axis deviation at pitching deviation

同樣可看出，當(dāng)慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在俯仰向存在偏差時，用2面垂直成夾角的反射鏡測量出的慣導(dǎo)姿態(tài)變化幾乎和反射鏡姿態(tài)變化一致。而當(dāng)慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在水平向存在偏差時，慣導(dǎo)姿態(tài)變化與反射鏡姿態(tài)變化差異明顯，特別是方位向的差異。在β=60°時，偏差Δβ幾乎與偏差γ相等，因此可根據(jù)兩次慣導(dǎo)的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)近似擬合出慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸在水平向的偏差角。

3 實驗與結(jié)果

3.1 實驗裝置

測量裝置如圖7所示，方位向有7個反射鏡，將其中1個反射鏡作為基準(zhǔn)反射鏡，其余6個反射鏡的方位向與基準(zhǔn)反射鏡成一定夾角，角度值根據(jù)測試需要設(shè)定，用經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)定，俯仰向夾角小于15″，表征慣導(dǎo)的方位。俯仰向7個反射鏡同方位的7個反射鏡安裝方式和標(biāo)定方法一樣，表征慣導(dǎo)的俯仰。該裝置右側(cè)安裝一塊基準(zhǔn)鏡，其法線方位與中間基準(zhǔn)鏡夾角為90°±15″，俯仰向夾角小于15″，表征慣導(dǎo)的橫滾。本裝置采用T3經(jīng)緯儀標(biāo)定，精度為2″。

圖7 實驗場景Fig.7 Experimental scene

3.2 實驗結(jié)果

按照上述方法，將慣導(dǎo)組件上電，利用慣導(dǎo)上自準(zhǔn)直儀對該裝置中間和右側(cè)兩基準(zhǔn)鏡光學(xué)自準(zhǔn)，獲取基準(zhǔn)軸，然后分別對方位和俯仰向的10個反射鏡光學(xué)自準(zhǔn)，測量得到10組數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對偏差角度進(jìn)行迭代計算。為了確保計算結(jié)果正確，可以再次測量1組數(shù)據(jù)，將迭代結(jié)果代入計算，檢查誤差是否滿足要求。經(jīng)過計算與驗證，得到慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直光軸之間的偏差為：方位?0.01°，俯仰?0.70°。再利用該偏差對慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到修正后的數(shù)據(jù)偏差[14-15]，如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)表Table 1 Experimental data

從表1可以看出，修正后的慣導(dǎo)測量數(shù)據(jù)與自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀測量值非常接近，可以近似認(rèn)為慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直儀光軸一致。

4 結(jié)論

本文采用光電自準(zhǔn)直儀表征慣導(dǎo)軸線，并針對捷聯(lián)安裝的軸線一致性校正問題，分別采用光機(jī)校正和光電校準(zhǔn)2種方法，進(jìn)行了慣導(dǎo)軸與自準(zhǔn)直儀光軸的一致性校準(zhǔn)。實驗證明，光機(jī)校正屬于粗略校正，由于各種原因，校正的精度很難達(dá)到系統(tǒng)要求；而光電校準(zhǔn)屬于精確調(diào)校，可達(dá)到秒級精度。從理論上來說，光電校準(zhǔn)可以適用于任何角度的偏差校正，即無需進(jìn)行光機(jī)粗校正也可以進(jìn)行。實際上，由于機(jī)械、光路等系統(tǒng)原因，一般首先進(jìn)行光機(jī)粗略校正，保證光軸與機(jī)械結(jié)構(gòu)偏差不大，再進(jìn)行光電精確校準(zhǔn)，確保系統(tǒng)精度。二者結(jié)合使用可提高校正效率，同時慣導(dǎo)和光軸一致性精度在15″以內(nèi)，軸線表征準(zhǔn)確度高。