胡小兵

摘 要：撓性尋北儀是一種高精度的定向儀器，主要用來對雷達天線、軍用車輛、坦克、自行火炮以及單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等，自主提供方位信息。這種儀器能夠適應多種環(huán)境，并能在靜態(tài)下自動標定出載體的方位，是一種自主式的定向設備。在實際應用過程中，相關人員只需按照特定的通訊協(xié)議來控制尋北儀，尋北儀將給出其基準邊與真北零的真實偏差角，從而為載體提供必要的方位指示?；诖?，我們就特別有必要在調試過程中去探究尋北誤差以及解決措施，也就是尋北儀的誤差分析及補償方案。

關鍵詞：撓性尋北儀；誤差分析；補償方案

引言

尋北儀主要是利用陀螺儀原理，對地球自轉角速率在正北方向的慣性進行測量。撓性尋北儀技術目前已經相當成熟，與其他方式的尋北儀相比，這種尋北儀具有檢測精度高、體積小、成本低等諸多優(yōu)點，所以這種設備也被廣泛應用于各個領域。

1、尋北原理

因為撓性尋北儀的動力調諧陀螺和石英加速度計的分別敏感性主要是地球自轉角速度在陀螺軸上的分量和重力加速度矢量在加速度計敏感軸上的分量，所以有必要首先介紹一下幾種坐標系。

坐標系介紹。如圖1所示，該圖顯示的是地球坐標系，坐標系的原點就是地球的中心O，X軸與Y軸位于赤道平面內，X軸指向格林尼治經線（0度經線），Y軸指向90度經線，而Z軸與地球的自轉軸平行，這三個坐標軸滿足右手定則，所以地球坐標系會以地球自轉角速度相對于慣性坐標系進行運動。

如圖1所示，地理坐標系，該系的原點在載體的質心，X軸與Y軸在當?shù)氐乃矫鎯龋琗軸與正東方向重合，Y軸與正北方向重合，Z軸沿著地垂線指向天，因此地理坐標系也叫東北天坐標系，有的資料也叫西北天坐標系等，主要是取的方向不一樣，原理上都是相同的，三個坐標軸都符合右手定則。

除了以上講述的二種坐標系之外，相關工作還需要明確載體坐標系和陀螺坐標系。載體坐標系的原點就是尋北儀載體的重心，載體的縱軸方向是Y軸，右側為X軸，Z軸分別于X、Y軸垂直，并且構成滿足右手定則的坐標系。陀螺坐標系的原點在陀螺儀的中心，陀螺的兩軸或三軸相互垂直，并且三個軸需同時滿足右手定則。

撓性尋北儀就是通過撓性陀螺及石英加速度計敏感地球的自轉角速率分量和重力加速度分量，運用數(shù)理算法加以解算、補償，從而得到載體基準邊與真北零之間的順時針偏差角，從而得出載體所需的真實方位。

2、誤差分析

撓性尋北儀在進行實際工作時，無論進行多么精準的校對，依然會存在一些系統(tǒng)誤差，但是大多數(shù)人員依然會將其看作是較為理想的系統(tǒng)。比如，認為尋北儀的轉動部分沒有誤差、陀螺和加速度計安裝也很理想沒有交叉耦合誤差等。但實際上系統(tǒng)在結構加工、裝配、安裝等各環(huán)節(jié)都不可避免地存在誤差。一般來說，誤差源可分為：

2.1元件誤差

這主要指陀螺和加速度計的零位漂移及刻度因素誤差，A＼D采樣誤差，各部分功能電路的漂移、噪聲等所引起的誤差。

2.2轉動機構誤差

在整個尋北儀的轉動機構安裝過程中，必然存在陀螺儀敏感軸與轉動機構轉動軸的相對誤差，加速度計敏感軸與轉動機構的相對誤差，系統(tǒng)安裝面與轉動機構的平行度誤差等，這些都與尋北儀傳感器組件以及轉動機構的安裝有直接關系。

2.3物理量誤差

尋北儀對不同地點進行測量時，得到的緯度值和重力加速度值很難做到精準代入，所以，只能代入近似值，因此，這將會給最終的尋北結果造成影響。

2.4外界干擾

在理想狀態(tài)下，尋北儀應當工作在靜態(tài)條件下，但實際工作的環(huán)境下外界擾動、強風等干擾，使得工作狀態(tài)不完全為靜態(tài)。這樣就給尋北精度的準確性帶來較大的誤差。所以，我們必須想辦法來克服外界干擾對尋北精度的影響。

3、誤差補償方案

3.1尋北儀溫度補償

溫度補償主要是對元件在不同溫度條件下性能變化對尋北精度的影響進行補償。撓性陀螺和加速度計的零位溫度誤差是導致尋北儀在不同溫度下工作而產生精度誤差的主要原因。因此，為了提高尋北儀的檢測精度，就應該重點解決撓性陀螺和加速度計信號的溫度誤差。溫度誤差和尋北結果是正比關系，通常可以用折線進行逼近補償，逼近補償?shù)木戎饕烧劬€數(shù)量決定，折線段數(shù)越高，補償精度越高，一般是利用數(shù)字電路對建立的數(shù)學模型進行算法補償。

3.2尋北儀線性度補償

線性度補償主要是對轉位誤差和物理量誤差帶來的在圓周精度上的誤差進行補償。在實際的工程使用中證明，尋北儀的尋北結果誤差在一個圓周里的不同位置上呈現(xiàn)不規(guī)則的曲線。將尋北儀安裝在精密轉臺上每隔一個固定角度進行一次尋北輸出可以看出，尋北結果與轉臺的參考基準值有相對誤差存在，此時尋北儀的線性度補償就顯得十分重要。經過多次實驗測定出這個誤差值，并將其連成一條光滑的曲線。經過多次圓周數(shù)據(jù)提取實驗后將各次圓周曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，盡管每次的曲線不盡相同，但是它們的變化趨勢是一樣的。將多條誤差曲線疊畫在一起，取各點的中值，可以得到一條近似的趨勢線，再對擬合的趨勢線進行特定算法擬合，得到一條較為理想的離散擬合曲線，該曲線盡量擬合成一條水平直線，這樣的圓周線性度的絕對誤差才能控制在合理的理想范圍內，才能滿足用戶的實際使用要求。

3.3 環(huán)境適應性的補償

環(huán)境適應性的補償就是所說的對外界干擾誤差的補償。為提高尋北儀的環(huán)境適應性，我們通常考慮的是通過結構減震、解調回路帶寬的合理化調整以及算法上的相應處理來實現(xiàn)。通過上述三種方式的處理，能較好地提高尋北儀對環(huán)境適應性的要求，而要根本解決尋北儀的環(huán)境適應性問題，還得從算法上入手，引入慣導算法，將傳統(tǒng)的靜態(tài)尋北改為動態(tài)尋北，該方面的工作已取得實際應用的成功。

結來語

通過對撓性尋北儀調試過程的誤差分析和補償，對尋北儀的精度有了較大的提升。尋北儀未來會朝著小型化、系統(tǒng)化、高精度的方向發(fā)展，同時也會滿足現(xiàn)階段各項工作的主要需求。今后的尋北儀在提高尋北精度的同時，也會進一步縮短尋北時間，提高尋北儀對外界環(huán)境的抗干擾能力。未來，相關工作人員需要進一步研究陀螺和加速度計的抗干擾能力，進而不斷提高尋北精度。

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