惯导寻北装置校准方法

黄运来 范洪志 刘雅庆 冯继伟

(1. 63981部队，武汉 430311；2. 71426部队，焦作 454000)



惯导寻北装置校准方法

黄运来1范洪志1刘雅庆2冯继伟1

(1. 63981部队，武汉 430311；2. 71426部队，焦作 454000)

针对惯导寻北装置无检定规程和校准规范的状况，提出一种利用陀螺经纬仪与经纬仪组合测量比对的方法。文章阐述了校准原理，分仪器架设、寻北测量、目标定向、校准对象寻北、结果比对五个步骤详细介绍了校准方法，并对测量结果进行不确定度评定。经实际应用，总结出部分注意事项，以方便推广使用。

惯导寻北；校准方法；陀螺经纬仪；不确定度

0 引言

惯导寻北装置是一种定向的导航设备，为用户载体实时提供方向和位置信息，引导车辆行驶到指定位置。它具有全自主式定向功能，在恶劣的野战环境和强电磁波干扰中，能够完全正常工作。定期进行检定、校准或测试，是保证武器装备发挥最大效能的重要保证。由于该装置属于专用设备，目前暂无有效的检定规程可以遵循，对惯导寻北装置进行校准有着迫切的实践需求。

1 校准原理

惯导寻北装置校准原理如图1所示，惯导寻北装置启动预热后，自动进行7次寻北，求取中间误差。当中间误差小于等于3.6′，可以进行校准，否则说明惯导寻北装置运行不稳定，需要进行检修。7次寻北取平均值，作为最终寻北结果，寻北结果表示目标线顺时针与真北方向的夹角。

图1 惯导寻北装置校准原理

惯导寻北装置专用校准系统由陀螺经纬仪、经纬仪和控制器等组成，先用陀螺经纬仪与控制器组合来实现自主寻北，完成真北方向测量，然后测量、计算出待测目标线顺时针与真北方向的夹角。陀螺经纬仪接受控制器的控制，通过敏感地球自转角速度，确定真北方向。陀螺经纬仪通过光电传感器检测陀螺的摆幅信号，并将其转换为电信号，输出给控制器。控制器是寻北定向控制设备，其主要功能是完成对陀螺经纬仪供电、寻北及各项功能控制，完成寻北信号的解算和对外数据的发送与接收。经纬仪主要与陀螺经纬仪组合实现对瞄及瞄准目标线上两个目标点，完成方位角输出。

将惯导寻北装置得到的真北方位角与惯导寻北装置专用校准系统测量出的真北方位角进行比较，完成校准。

2 校准方法

2.1 仪器架设

取出陀螺经纬仪、经纬仪，按照图2所示进行仪器架设。

图2 仪器架设示意图

陀螺经纬仪与经纬仪之间的连线为基准线，待定目标线段(目标1、2连线)与基准线所夹锐角应小于10°。面对待定目标线，待定目标线左端点称为目标1，右端点称为目标2，待定目标线段长度应大于或等于7m，陀螺经纬仪与经纬仪之间的距离应大于或等于30m，目标1与目标2离基准线距离都应在10m左右。面对待定目标线，陀螺经纬仪要架设在左侧，经纬仪架设在右侧。陀螺经纬仪和目标1之间测连线与基准线所夹锐角要小于50°，经纬仪和目标2之间的连线与基准线所夹锐角也要小于50°。

设备摆放到固定位置后，进行固定并调平，转动陀螺经纬仪三只水平调整旋钮，以经纬仪上水准器为基准调平，调平后应将经纬仪转180°检查水准器是否水平，如出现偏差，应对水准器进行检定，保证360°范围内水准器偏移量最大不超过±1格，调平及检定方法详见经纬仪的使用说明书。调平后，连接好相应线缆，打开相应软件。

2.2 寻北测量

接通电源，将控制器开机，输入当地经纬度，用陀螺经纬仪瞄准目标1，启动陀螺经纬仪电机，待电机稳定后，可以进行寻北测量。

1)开锁：按照陀螺经纬仪外壳上的锁放提示，平稳、匀速的顺时针(从上往下看)转动锁紧手轮到底。此时陀螺灵敏部被释放，处于悬挂状态。

2)阻尼限幅：观察控制器显示的陀螺的摆动方向及摆动值，如向负方向摆动，若希望减缓陀螺向负方向摆动的速度，可顺时针转动阻尼手轮，若希望增大陀螺向负方向摆动的速度，可逆时针转动阻尼手轮，反之亦然。反复调节阻尼手轮，使陀螺灵敏部摆动的逆转点在±80′～±120′范围内，按控制器“确认”键，陀螺经纬仪进入寻北测量采集阶段。

3)粗寻北：待寻北测量数据采集完成后，在控制器上会提示陀螺经纬仪与真北方向的角度差，旋动锁紧手轮，将陀螺灵敏部托起。转动陀螺经纬仪瞄准仪至控制器提示的角度值，再转动陀螺经纬仪方位手轮，至陀螺经纬仪重新瞄准目标1。

4)精寻北：粗寻北结束后，自动进入精寻北，重复步骤1)和2)，观察控制器采集的数据绝对值是否小于1′，小于1′则表示精寻北完成，否则重复步骤3)。精寻北结束后，立即锁紧陀螺，关闭陀螺电机开关。

2.3 目标定向

陀螺经纬仪寻北测量完成后，操作控制器，进入目标定向程序，此时要求，陀螺经纬仪与经纬仪对准。对准时，经纬仪固定不动并打开准直，调焦至无穷远，陀螺经纬仪瞄准经纬仪镜筒中的红色十字线；然后陀螺经纬仪固定不动并打开准直，调焦至无穷远，经纬仪瞄准陀螺经纬仪镜筒中的红色十字线，如此反复几次，直至对准。对准完成后，控制器读取陀螺经纬仪与经纬仪的水平角度值和高低角度值，进入测量目标1程序，转动陀螺经纬仪和经纬仪，同时对准目标1，对好后，控制器读取陀螺经纬仪和经纬仪的水平角度值和高低角度值；接着进入测量目标2程序，转动陀螺经纬仪和经纬仪，同时对准目标2，对好后，控制器读取陀螺经纬仪和经纬仪的水平角度值和高低角度值。目标2测量完成后，控制器将根据两次测量数据，自动结算出待定目标线段(目标1、2连线)与北向的夹角。

2.4 校准对象寻北

按照使用说明书的要求打开惯导寻北装置，预热完成进行寻北，寻北值为目标线段与北向的夹角，每次寻北值都传送给控制器，进行7次寻北后，求取中间误差，当中间误差小于3.6′时，可以进行系统校准。计算出7次寻北的均值，作为惯导寻北装置的寻北值。

2.5 结果比对

寻北均值与标准寻北值比较，当小于3.6′，则满足使用要求；寻北均值与标准寻北值比较，大于3.6′，小于7.2′时，可限制使用；寻北均值与标准寻北值比较，大于7.2′时，需要进行系统修正。

3 不确定度分析

3.1 A类评定

对某一固定的目标线段，在同等条件下重复测量6次，得到6组数据如下：112°28′31″,112°28′25″,112°28′16″,112°28′15″,112°28′24″,112°28′18″，根据贝塞尔法，用下式计算实验标准偏差：

通过对6组数据计算，A类评定不确定度为：

3.2 B类评定

经纬仪引入的标准不确定度分量：

B类标准不确定为：

3.3 不确定度合成

通过以上A类方法评定和B类方法评定，

合成标准不确定度：

扩展不确定度：

U=kuc=84″(k=2,φ=53°)

4 校准注意事项

1)陀螺经纬仪作为高精度精密测量设备，应严格按照使用说明操作，操作人员需要熟练掌握操作技能，特别是阻尼限幅中，如果操作不熟练、限幅时间过长，系统将会出现异常，这时需重新拧紧陀螺经纬仪锁紧手轮，关机重新开始。

2)校准过程中，应高度注意陀螺经纬仪的操作。当陀螺灵敏部处于下放状态时，陀螺灵敏部的重量完全由吊丝承担，由于吊丝为一粗细相当于头发的金属丝，此时移动陀螺经纬仪，吊丝将会断裂损坏。因此，当陀螺灵敏部处于悬挂状态时，严禁关闭陀螺电机或移动陀螺罗盘，在移动或撤收陀螺经纬仪之前，应首先检查紧锁手轮是否锁紧。

3)定向寻北过程中，周围不应有冲击、振动，一旦遇到意外情况，首先将锁紧手轮锁紧，然后切断电源。

5 结束语

本文概述了一种惯导寻北装置校准方法，经实践检验和使用，获得很好的应用效果，同时也被有关专家和技术人员认可和采纳。由于被校对象复杂，涉及操作设备多，整个校准时间较长，还需进一步摸索总结规律，以提高校准效率。

[1] 吴俊伟.惯性技术基础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2002

[2] 继军,魏贵玲,李勇健,等.陀螺寻北仪二位置寻北方案[J].中国惯性技术学报,2002,19(3):46-49

[3] 秦洪奎.陀螺经纬仪定向精度的研究[J].测绘信息与工程,2009,34(3):49-50

[4] 石震.GAT陀螺全站仪精度评定方法研究[D].西安:长安大学,2008

[5] 周红锋,宫爱玲.小角度测量的光学方法[J].计量技术,2006(7):17-19

[6] 龙文强,秦继荣.二位置数字捷联寻北仪的设计与实现[J].火力与指挥控制,2007,32(4):97-98

[7] 张海滨,刘智敏,王中宇.二位置数字捷联寻北仪的设计与实现测量不确定度评定的验证研究[J].计量学报,2007,28(3):193-197

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.15