基于高速火箭橇測速系統的誤差分析

唐瑞　姚冉中

摘 要： 火箭橇速度測試系統是火箭橇試驗的核心組成部分，該系統提供火箭橇運動全過程的速度-位置關系、時間-位置關系和加速度-時間關系等火箭橇核心運動數據。為了滿足目前慣導系統和北斗導航系統的火箭橇動態標定試驗，重點討論了火箭橇測速系統的組成結構，并對其系統精度做出詳細誤差分析。分析找出影響系統誤差的主要因素，為后期進一步提高火箭橇測速系統的精度提供理論依據。

關鍵字： 速度測試系統； 慣性導航； 誤差分析； 火箭橇

中圖分類號： TN820.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0103?03

Abstract： Velocity test system is an important part of the rocket sled test. The system provides the rocket sled motion data of speed?location， time?position and acceleration?time relationship in the whole process of rocket sled. In order to meet the needs of dynamic calibration test for inertial navigation system and Beidou navigation system， the composition structure and precision analysis of velocity test system are discussed emphatically. The main factors of error formation were found out by the aid of analysis， which provided a theoretical basis for further precision improvement of the rocket sled velocity test system.

Keywords： velocity test system； inertial navigation system； error analysis； rocket sled

0 引 言

隨著我國武器裝備現代化的發展，對慣性測量裝置動態精度、大過載下適應性和可靠性等方面也提出了更高的要求。為滿足武器系統精確制導、精確打擊的要求，適應現代化的新軍事變革，驗證慣導系統地面試驗與天上飛行的一致性，完善慣導系統地面試驗方法越來越迫切[1]。對慣性儀表及慣性系統的使用精度進行地面標定試驗及綜合性能評估有許多方法，如重力場翻滾試驗、離心機試驗、震動試驗、沖擊試驗、火箭橇試驗等。在這些試驗中，能提供最為接近真實飛行環境特別是火箭或導彈主動段力學環境的方法就是火箭橇試驗[2]。

火箭橇試驗是指將試驗件安裝在專用滑車上，用固體或液體發動機作為動力，沿高精度軌道高速滑行的試驗，具有產生大過載、高速度和沖擊等綜合條件的能力，可以最逼真地模擬導彈真實飛行環境。火箭橇試驗早已列入美國慣導系統的試驗大綱作為地面試驗的最后階段，并規定通過火箭橇試驗后慣導系統才能進行飛行試驗[3]。

在慣性導航系統的地面試驗中，火箭橇試驗的優勢在于其測速系統能夠相對精確地提供滑車運動過程中時間?位置關系。火箭橇測速系統提供的滑車位置信息由傳感器安裝位置實測得出，對比慣性導航系統的速度和位置信息由陀螺和加速度計解算得出，其位置精度更高也更具可測性。

通過對火箭橇測速系統的誤差分析， 找到了影響測速系統誤差的因素。通過技術改進，最大程度地減小測速系統的誤差，從而滿足高精度慣性導航系統火箭橇校準試驗對速度測試的要求。本文著重討論了火箭橇測速系統組成結構，并對該系統的系統誤差進行詳細分析。

1 火箭橇測速系統原理

火箭橇測速系統采用非接觸式磁電感應法進行速度測試，其原理如下：

沿火箭橇副軌側間隔一定距離安裝雙度霍爾開關傳感器，在火箭橇橇體側面安裝一塊永磁鋼。當火箭橇運行時，永磁鋼的磁場經過一個霍爾開關傳感器，產生一個脈沖信號，利用數采器記錄下火箭橇運行過程中經過各個霍爾開關傳感器的時刻，并送至存儲器進行存儲。事后經過判讀各個脈沖的間隔時間即可得到火箭橇運行在各個霍爾傳感器之間的時間[ΔT；]測量相鄰傳感器之間的距離[ΔS，]即可計算出火箭橇經過相鄰兩傳感器之間的平均速度[V=ΔSΔT，]再加上時統系統便可獲得火箭橇運行的時空位置。

2 影響速度誤差的因素

由于物體運動的速度是一個不可直接測量的值，根據速度的計算公式，速度的誤差取決于傳感器間隔兩點的距離誤差和計時器產生的記錄相鄰兩傳感器產生脈沖時刻的誤差。故對襄北測速系統產生的速度誤差作出如下分析：

2.1 決定相鄰兩傳感器距離[ΔS]誤差因素

（1） 相鄰傳感器之間的距離測量誤差。精確測量相鄰兩個霍爾傳感器探頭之間的距離時會產生誤差。使用硬性鋼尺可以把測距精度控制在0.001 m。

（2） 傳感器殼體安裝的誤差。只有當相鄰兩傳感器殼體的上表面在同一水平面的時候，才能保證相鄰兩個霍爾器件在同一水平高度，測出的兩霍爾器件間直線距離才更準確。目前傳感器殼體的安裝誤差通過器具校準可以控制在0.002 m。

（3） 霍爾開關傳感器感應磁場的位置誤差。根據永磁體磁力線的分布，永磁鐵的前端是一個發散的閉合磁場，那就意味著，當永磁鐵還未運動到霍爾器件的正上方時，霍爾器件就會提前感受到磁場，使之觸發產生脈沖信號。

經過反復的現場試驗發現，永磁鐵運動和霍爾傳感器的響應位置存在如圖1所示的對應關系：

對比圖1中的數據可以發現，在磁鐵與霍爾傳感器垂直距離為25～35 mm時，傳感器對磁鐵的水平響應距離基本一致。即當傳感器的安裝高度精確控制在與永磁鐵下表面的垂直距離為25～35 mm的范圍內時，傳感器的位置響應誤差可以控制在0.5 mm以內。

2.2 決定火箭橇通過相鄰兩傳感器計時誤差[ΔT]的因素

（1） 軟件判讀時間數據的誤差

數據采集器記錄下滑車經過傳感器時產生的脈沖信號，試驗后軟件判讀脈沖信號跳變時的時刻即為滑車經過該傳感器時的時刻。軟件判讀時間數據的誤差與通道的采樣率設置有關，當通道采樣率為10 K時，時間判讀誤差可以控制在10?5 s；

（2） 數據采集器本身固有的時間精度

使用的NICOLET visionXP數據采集器時基精度為10-7 s。

3 速度誤差的理論計算

火箭橇在滑軌上運行，其物理狀態為火箭橇在滑軌上做變速直線運動，變速運動中的平均速度只有指明哪一段距離或時間內才有意義。平均速度只能粗略反映火箭橇在某段運動狀態，不能描述它在任意時刻的運動狀態。

4 火箭橇速度測試精度與測時精度的關系

根據速度誤差的理論計算公式，分別計算出某一速度誤差范圍時，對應使用數據采集器所需要的時間精度。

由表1和表2分析可知，要高精度的測量火箭橇速度，有兩個關鍵條件：

（1） 霍爾傳感器感應位置精度高（安裝位置坐標精確，感應信號位置精確）；

（2） 霍爾傳感器感應信號測時精度高（霍爾傳感器產生的脈沖信號傳輸延遲一致性高、數據采集器的測時精度高和時統授時精度高）。

5 結 語

目前位于中國航空救生試驗基地的火箭橇試驗測速系統，測時精度能夠達到10-5 s，即10 μs級別。那么火箭橇在340 m/s的運動速度下，測速誤差可以達到±0.3 m/s；在680 m/s的運動速度下，測速誤差可以達到±0.5 m/s。

通過對該系統的誤差分析，滿足高精度慣導系統火箭橇動態標定試驗，進一步提高目前火箭橇測速系統精度是我們今后工作的重點。

參考文獻

[1] 陳東生，魏宗康，房建成.驗證石英加速度計誤差模型的火箭橇試驗[J].中國慣性技術學報，2009，17（2）：236?239.

[2] 李丹東，陳效真，馮強，等.慣導系統火箭橇試驗簡介[J].導航與控制，2005（2）：57?58.

[3] 夏剛，李丹東，陳效真.高級慣性測量組合的火箭橇測試[J].導航與控制：譯文集，2005（1）：31?32.

[4] 武漢測繪科技大學《測量學》編寫組.測量學[M].武漢：測繪出版社，2002.

[5] 武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2008.

[6] 藍仁恩，劉志成，王志樂.等.機載慣導系統可視化仿真方法研究[J].現代電子技術，2011，34（9）：203?205.