測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正研究

鐘德安，包 飛，張同雙，馮鴻奎，劉 揚(yáng)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431)

0 引言

角度測(cè)量是由軸角編碼器(角度編碼裝置)來完成，其基本功能是把天線2個(gè)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角變?yōu)閿?shù)字量的角度數(shù)據(jù)輸出［1］。軸角編碼器是測(cè)量設(shè)備重要的測(cè)角部件，其精度對(duì)測(cè)量設(shè)備總精度產(chǎn)生直接影響。一般要求軸角編碼器精度比測(cè)量設(shè)備總精度高3～10倍［2］。影響軸角編碼器精度的因素很多，如度碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器的軸與天線機(jī)械軸間的耦合精度及同心度、數(shù)碼讀出電路、傳感器電路等。目前對(duì)軸角編碼器的誤差有多種處理方法:文獻(xiàn)［3］給出的測(cè)量設(shè)備測(cè)角系統(tǒng)誤差修正模型中未考慮對(duì)軸角編碼器誤差的修正;文獻(xiàn)［4］僅考慮了軸角編碼器由于安裝時(shí)與旋轉(zhuǎn)軸的同心度不準(zhǔn)造成的偏心誤差的修正;文獻(xiàn)［5］以正弦規(guī)律的形式給出了軸角編碼器造成的誤差修正模型。從實(shí)際檢測(cè)情況看，由于軸角編碼器誤差因素的復(fù)雜性，安裝在不同測(cè)量設(shè)備上的軸角編碼器雖然工作原理相同，但誤差規(guī)律不盡相同。有的軸角編碼器雖然其總的精度滿足指標(biāo)要求，但在某些角度范圍內(nèi)的誤差遠(yuǎn)低于其精度指標(biāo)，如果誤差修正方法和修正模型應(yīng)用不當(dāng)，對(duì)這一角度范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度將產(chǎn)生較大影響。因此，應(yīng)根據(jù)誤差實(shí)際檢測(cè)情況采用不同的修正方法和模型加以修正。

本文列舉了3個(gè)軸角編碼器誤差檢測(cè)例子，通過分析其誤差規(guī)律和采用不同的修正模型，使軸角編碼器測(cè)量值均方根誤差分別降低了7.2″、1.8″和1.6″。

1 軸角編碼器工作原理

軸角編碼器有直接角度編碼器和間接角度編碼器2種類型。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［6］)和“增量積累”的增量碼盤;而間接角度編碼器是先將天線機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角通過傳感器(如電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器)變?yōu)檫B續(xù)的物理量(電壓、時(shí)間間隔)，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度數(shù)據(jù)。光電碼盤和用旋轉(zhuǎn)變壓器作角位移傳感器的編碼器是比較普遍采用的軸角編碼器。因產(chǎn)生的角度數(shù)據(jù)都代表著當(dāng)前機(jī)械軸角位移，因此碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器的軸必須與天線的機(jī)械軸作硬連接，通常采用套軸式聯(lián)接，以提高它們之間的耦合精度。

直接角度測(cè)量是由編碼裝置和數(shù)碼讀出電路2部分完成。編碼裝置由編碼盤和固定的敏感元件組成，編碼盤直接或通過隨動(dòng)系統(tǒng)與天線機(jī)械軸相連，而輸出數(shù)碼則從敏感元件取得。數(shù)碼讀出電路的作用是從敏感元件讀取角度數(shù)碼。

常見的間接角度測(cè)量是用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位移的敏感元件(角度傳感器)，其編碼原理是將天線軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角用一對(duì)幅度隨轉(zhuǎn)角正弦和余弦變化的交流電壓反映出來，有這一對(duì)正余弦電壓即可形成天線軸轉(zhuǎn)角的數(shù)碼。一般稱軸角編碼器為天線軸角位置顯示單元。軸角編碼器采用分解器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Resover-to-Digital Converter RDC)實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，RDC是一個(gè)鎖相環(huán)，其數(shù)字輸出角度將自動(dòng)地跟蹤天線的機(jī)械轉(zhuǎn)角。

2 軸角編碼器誤差檢測(cè)方法

2.1 方法原理

對(duì)軸角編碼器精度檢測(cè)采用與高精度測(cè)角儀器直接比對(duì)的方法。以方位軸角編碼器為例，作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的高精度經(jīng)緯儀與測(cè)量設(shè)備同時(shí)測(cè)量同一個(gè)固定目標(biāo)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)作差，統(tǒng)計(jì)方位軸角編碼器精度。

2.2 檢測(cè)步驟

采用經(jīng)緯儀檢測(cè)方位軸角編碼器精度包括以下步驟:

①將經(jīng)緯儀安裝在測(cè)量設(shè)備方位旋轉(zhuǎn)中心頂部，并仔細(xì)調(diào)整其豎軸與天線方位軸重合，以減少測(cè)量設(shè)備方位轉(zhuǎn)盤傾斜對(duì)經(jīng)緯儀讀數(shù)的影響;

②經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)一個(gè)距離大于1 km、仰角近似為零度的固定目標(biāo)，讀取方位編碼器數(shù)據(jù)Aci和經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)Aji;

③順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)天線方位，每轉(zhuǎn)15°左右停轉(zhuǎn)，經(jīng)緯儀重新瞄準(zhǔn)同一目標(biāo)，再讀取方位編碼器數(shù)據(jù)和經(jīng)緯儀數(shù)據(jù);

④按下式計(jì)算方位軸角編碼器精度:

3 軸角編碼器誤差檢測(cè)舉例

利用上述檢測(cè)方法分別對(duì)3套測(cè)量設(shè)備的方位軸角編碼器誤差進(jìn)行了檢測(cè)，3套均為用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位移敏感元件的間接式角度編碼器。三套軸角編碼器檢測(cè)得到的殘差數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示。

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可算得A、B、C三套編碼器測(cè)量值均方根誤差分別為 11.2″、12.2″和 10.8″。

表1 A套軸角編碼器方位殘差數(shù)據(jù)

表2 B套軸角編碼器方位殘差數(shù)據(jù)

表3 C套軸角編碼器方位殘差數(shù)據(jù)

4 軸角編碼器誤差修正

圖1、圖2和圖3分別為A、B、C三套編碼器的殘差圖(圖中散點(diǎn)用“▲”所示)。可以看出，A套編碼器在方位角15°～204°之間的殘差為正值，其余為負(fù)值;B套、C套則正負(fù)相間無明顯規(guī)律。同時(shí)也可看出，殘差曲線并沒有呈現(xiàn)出典型的正弦或余弦型偏心誤差規(guī)律。因此，應(yīng)根據(jù)對(duì)編碼器的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，采用不同的方法和模型加以修正。

通用的測(cè)量設(shè)備方位角誤差修正公式如下:

圖1 A套編碼器的殘差

圖2 B套編碼器的殘差

圖3 C套編碼器的殘差

式中，A為經(jīng)軸系誤差、零位及編碼器誤差修正后的方位角;Ac為測(cè)量設(shè)備軸角編碼器方位角輸出值;A0為方位零位;βm、Am分別為大盤最大傾斜量和最大傾斜方向;Ec為測(cè)量設(shè)備軸角編碼器俯仰角輸出值;δm為兩軸不正交;Sb為光機(jī)偏差;Cs為方位光電偏差;ΔUA為方位誤差電壓;CA為方位支路定向靈敏度;fb(Ac)為方位編碼器誤差模型。

圖1、圖2、圖3中的連續(xù)曲線分別為根據(jù)A、B、C三套編碼器殘差進(jìn)行擬合的編碼器誤差模型。

A套編碼器誤差模型為:

B套編碼器誤差模型為:

C套編碼器誤差模型:

經(jīng)過擬合修正后，A、B、C三套編碼器測(cè)量值的均方根誤差分別為 4″、10.4″和 9.2″，與修正前相比分別降低了7.2″、1.8″和 1.6″。

5 結(jié)束語

軸角編碼器誤差對(duì)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度有直接影響，有些軸角編碼器雖然其總的精度滿足指標(biāo)要求，但在某些局部角度范圍內(nèi)的均方根誤差可遠(yuǎn)超其精度指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行修正。

由于航天器飛行軌道有自身的規(guī)律，對(duì)可移動(dòng)測(cè)量設(shè)備應(yīng)避開編碼器誤差較大的區(qū)域范圍。對(duì)固定臺(tái)站可根據(jù)對(duì)航天器測(cè)量的實(shí)際角度范圍，對(duì)編碼器誤差進(jìn)行分段擬合并加以修正，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

通過增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)、采用不同的修正方法和模型可進(jìn)一步提高軸角編碼器誤差修正精度。

［1］趙業(yè)福.無線電跟蹤測(cè)量［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［2］江文達(dá).陳道桂.航天測(cè)量船［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［3］楊斌峰.地面測(cè)控雷達(dá)角度標(biāo)校技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(17):47-52.

［4］呂亞強(qiáng).單脈沖雷達(dá)測(cè)量誤差修正方法研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008(8):1 155-1 157.

［5］袁 勇.雷達(dá)的衛(wèi)星標(biāo)定技術(shù)方法［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4):109-113.

［6］羅世魁，王國(guó)強(qiáng).偽隨機(jī)碼在絕對(duì)式光電軸角編碼器中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2003(6):596-601.