某型炮兵氣象雷達探測系統自動尋北標定儀關鍵技術分析＊

仇 磊

（解放軍陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

某型火箭炮武器系統配備的氣象雷達探測系統，是我軍新裝備的一種高性能的野戰機動式氣象保障裝備，該系統集多譜勒聲雷達、風廓線雷達、無線電經緯儀和野戰氣象儀等多種探測設備于一身，具有技術先進、自動化程度高、保障能力強、探測高度高等特點，是遠火武器系統的重要保障裝備。為完成氣象保障任務，改型氣象雷達探測系統在進行探測工作之前或者雷達氣象車移動后都必須首先完成尋北標定才能工作，否則風廓線雷達、多普勒聲達和無線電經緯儀三大探測系統所測數據均無效。

某型炮兵氣象雷達探測系統自動尋北標定儀安裝在該型武器系統炮兵氣象車上，利用現有數據通信接口，實現氣象車尋北自動標定、數據自動采集和處理等自動標定任務。改型自動尋北標定儀采用光纖陀螺作為尋北標定的慣性器件，具有成本低、重量輕、壽命長、功耗低、啟動時間短、動態范圍大等優點。改型自動尋北標定儀在尋北時，整個慣性測量單元安裝在一個高精度程控轉位機構上，轉位機構的角位置由采集控制單元控制，按其數學模型要求精確轉動到相隔90°規定的四個位置上。陀螺儀用來測量四個不同方位上的地球自轉角速度，加速度計用來測量輸入軸相對當地水平面的傾斜角，所測得的數據經采集電路采集后送入計算單元進行解算，解算后送入顯示單元，顯示北向角信息和姿態信息。

在該型尋北標定儀中，陀螺漂移和噪聲是影響尋北精度的主要因素，數據采集單元的性能（分辨率、精度等）是決定系統性能的重要因素之一。此外，轉位控制方案設計是尋北系統中一個極其重要的環節，轉位機構的轉位精度和恒速控制精度必須滿足陀螺尋北的精度要求。當硬件平臺和尋北方案確定后，有效的數據處理方法對提高尋北精度起決定性的作用。要提高尋北儀的精度，就必須解決影響尋北精度的諸多關鍵技術問題。

2 解析式陀螺尋北原理

20世紀中后期，由于軍用陸基導航及導彈武器發射對自主、快速對準設備的需求，加上光學陀螺、振動陀螺等非轉子陀螺的出現，使解析式陀螺尋北儀技術得到快速發展。解析式陀螺尋北儀是通過測量地球轉速在不同方位上的水平分量，再經過一定的數學解算而推導出當地的真北方向。光纖陀螺作為一種高可靠、長壽命的非轉子式速率陀螺儀，很適合在解析式陀螺尋北系統中應用。某型炮兵氣象雷達探測系統自動尋北標定儀采用了光纖陀螺解析式尋北原理。

將一個單軸陀螺安裝在水平轉臺上，使其輸入軸水平，通過轉位機構的帶動使陀螺依次測出地球轉速在兩個水平位置的分量ωx和ωy（如圖1所示），就可計算出初始方向與真北方向的偏角。

圖1 解析式陀螺尋北原理示意圖

由于ωx＝ωiecosLcosψ，ωy＝ωiecosLsinψ，故有：

當ωx≠0時，可以用式（1）算出航向角。當ωx的值接近0時，可以用式（2）計算出ψ。

式中ωie為地球自轉角速度；L為測量點緯度；ψ為陀螺初始輸入軸與北向的夾角。

3 自動尋北標定儀關鍵技術研究

3.1 四位置尋北方案

該方案是使光纖陀螺敏感軸分別在四個特定的位置上測量地球轉速的水平分量，再通過計算得到載體與北向的夾角，為便于計算，這四個位置選擇依次相差90°的4個位置。

在開始尋北時，光纖陀螺處于第一個位置ψ，陀螺在這個位置完成信號采集后，由轉位機構帶動光纖陀螺依次旋轉到（ψ＋90°），（ψ＋180°），（ψ＋270°）的三個位置，并分別在每個位置完成信號采集，根據解析式尋北原理，光纖陀螺在這四個位置的輸出為

式中K1為光纖陀螺的標度因數；K01，K02，K03，K04和ε1，ε2，ε3，ε4分別為陀螺在每個位置上的零偏和隨機誤差。

若忽略短時間內陀螺零偏的變化量及隨機誤差，可算出陀螺敏感軸與北向的夾角ψ為

可見，四位置尋北方案不僅可抵消光纖陀螺零偏的影響，而且不需要依賴光纖陀螺標度因數的先驗值及當地地理緯度值L，從而降低了對光纖陀螺性能指標長期穩定性的要求，是一種較為理想的尋北方案。

3.2 精密轉臺的精確轉位控制技術

四位置尋北方案需要采樣陀螺在幾個固定位置的輸出值，從而解算出方位角。只有控制轉臺精確轉位，才可以精確解算出方位角。轉軸的位置和運動精度決定了工作臺的端面和徑向跳動誤差的大小，從而影響加速度計和光纖陀螺的輸出信號。運動精度還影響光電編碼器的位置精度，進而影響編碼器輸出信號的相位精度，這些都會最終影響整個系統的尋北精度。以四位置尋北方案為例，轉位機構的定位誤差是主要的誤差源，對尋北結果產生較大的影響，其造成的尋北誤差是定位誤差的一半。因此在系統設計中要確保轉臺的定位精度滿足陀螺尋北的精度要求，對轉臺系統中各機械零件的設計和加工要有相應的加工精度要求和工藝措施。一般轉臺的定位誤差要小于尋北精度的五分之一。采用光電編碼器作為直流電機位置控制的反饋元件，構成位置反饋系統，對直流電機的定位位置進行修正，可以獲得較高的位置精度。

3.3 反饋元件的選擇

光電編碼器是一種集光學、機械、電子技術為一體的數字檢測裝置，具有精度高、響應快、抗干擾能力強、性能穩定可靠等顯著優點，廣泛應用于電機伺服系統中。它把電機的旋轉角度以脈沖形式輸出，旋轉角度值正比于脈沖個數，旋轉速度值正比于脈沖頻率。

按照輸出信號的種類來劃分，光電編碼器分為絕對式和增量式兩大類。絕對式編碼器不需要計數器，在轉軸的任意位置都可給出與位移相對應的數字轉角輸出量。優點是固定零點、輸出代碼是軸角的單值函數、抗干擾能力強、掉電后再啟動無須重新標定、無累積誤差等；缺點是制造工藝復雜，不易實現小型化。增量式編碼器的典型輸出為兩個相位差為90°的方波信號（A和B）以及零位脈沖信號Z。A，B兩相信號的脈沖數標志碼盤軸所轉過的角度，A，B之間的相位關系標志碼盤的轉向。計數過程一般有兩種實現方法：1）由可編程計數器或微處理器內部定時／計數器實現計數；2）由可逆計數器實現對正反向脈沖的計數。增量式編碼器易于實現小型化，響應迅速，結構簡單；缺點是掉電后容易造成數據損失，且有誤差累積現象。

3.4 數據采集單元設計

數據采集單元主要負責光纖陀螺輸出的數字信號的接收及將加速度計輸出的模擬信號轉換為數字信號。在解析式尋北系統中，對于模數轉換器的性能和相應的抗干擾措施有較高要求，需要選用高精度模數轉換器來完成A／D轉換。

如果加速度計的標度因數Ig＝1±0.2mA／g，所采用的匹配電阻為50Ω，設計的測角范圍為±15°，則加速度計輸出的電壓幅值為V＝1×50×10－3×sin15°＝12.9×10－3V。為了檢測加速度計信號的微小變化，需要對信號進行放大。對于微弱信號檢測來說，關鍵措施之一是盡量減小測量過程中引入的觀測噪聲，而前置放大器則是引入噪聲的主要部件之一。低噪聲放大器設計的關鍵是低噪聲半導體器件的選擇、低噪聲電子線路和其工作狀態的優化設計，以及減少放大器外來干擾的技術措施。I／V轉換后的電壓信號接入精密濾波放大電路，實現低通濾波。濾波后的電壓信號還必須經過限幅和調理環節轉換成與AD采集芯片輸入兼容的電壓信號才能接入AD的信號輸入端。加速度計輸出信號經過信號調理電路（放大、濾波）后輸入模數轉換器。

3.5 陀螺漂移和噪聲消除技術

在改型尋北標定儀中，影響尋北精度的主要因素是陀螺漂移和噪聲。引起陀螺漂移的諸多因素是帶有隨機性的，隨機漂移誤差是系統的主要誤差源。光纖陀螺有一定的輸出噪聲，而且使用中還會受到諸多運載體發動機運行的振動、人員走動及陣風隨機吹動等因素對尋北精度的影響。一般認為陀螺漂移主要由常值分量、周期分量和自噪聲組成，但是由于各種電路噪聲和外部噪聲的影響，實際信號中還包含白噪聲和有色噪聲，用模型描述為

式中εd是陀螺漂移的常值項，短時間內可以用陀螺的零偏來代替，可以通過多位置測試消除；Ω為周期分量的幅值，f為周期分量的頻率，θ為初始相位，Δ（t）為均值為零的高斯白噪聲，?（t）為相關噪聲。

處理陀螺漂移和噪聲的方法主要有時間序列分析、Kalman濾波、H濾波和抗差濾波等。也有基于傅立葉變換或小波變換而建立的數字濾波器，用以剔除信號中的高頻部分以達到去除噪聲、平滑信號的目的。工程中常采用低通濾波方法處理陀螺數據，其優點是濾波方法簡單、易于工程實現、能在一定程度上減少動態干擾的影響，缺點是濾波效果并不理想?？共罟烙媽Ξ惓祿禉嗵幚?，一方面限制利用了可用信息，另一方面通過對有害信息賦予零權加以排除，從而保證了觀測信息的利用率與估計結果的可靠性。

上述方法只在特定條件下有效，并不能對信號中所有的噪聲都能進行比較徹底地處理。因而需要針對具體陀螺的漂移特點，采用適當的估計方法求解最佳估值，或建立隨機漂移模型對其進行補償，從而求得最佳估值。

4 技術指標與試驗結果分析

4.1 技術指標

1）“自動尋北標定儀”尋北精度：0.1°；

2）“自動尋北標定儀”尋北時間：≦5min；

3）“自動尋北標定儀”平均故障間隔時間（MTBF）：200h，即可以滿足部隊作戰需要；

4）“自動尋北標定儀”平均故障修復時間（MTTR）：30min，自動尋北標定儀用于氣象車在進行氣象探測工作之前，在準備工作充分的條件下，不會影響氣象探測；

5）“自動尋北標定儀”工作環境溫度：－40℃～＋50℃，由于氣象雷達工作環境溫度是－40℃～＋50℃，考慮到與氣象雷達在同樣環境工作，故工作環境溫度相同。

4.2 試驗結果分析

對系統進行功能測試，臺體能在360°任意位置伺服，且能從一個位置轉動到任意一個位置。在0～360°的范圍內任選一位置，在同一位置上連續尋北六次，記錄每次的輸出數據，如表1所示。

表1 尋北數據

按下列公式計算尋北精度：

式中：xi為自動尋北儀第i次采樣的結果；n為自動尋北儀采樣次數的總和；i為自動尋北儀采樣序數，i＝1～6；ˉx為n次采樣的平均值。

由此可以算出尋北標定儀的尋北精度為0.087°，滿足技術指標需求。

5 結語

該型尋北標定儀具有輕便、快速、操作簡單和性能穩定可靠的特點，在無任何初始定向基準的情況下，均能快速確定北向方位，適合機動作業。而且該裝置無需緯度補償、抗環境干擾能力強、結構上采用模塊化，便于安裝和維修，為該型氣象車的作戰使用增加了可靠性保證，提高了某型火箭炮武器系統的氣象保障能力。

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