[科普中國(guó)]-陀螺羅經(jīng)法對(duì)準(zhǔn)

陀螺羅經(jīng)

長(zhǎng)期以來(lái)，磁羅經(jīng)作為測(cè)定船舶方位用的的指向儀器，在各類船舶上得到廣泛應(yīng)用。然而隨著航海事業(yè)和造船技術(shù)的發(fā)展，鋼船代替了了木船，特別是大中型船舶和潛水艇的出現(xiàn)，磁羅經(jīng)的可靠性和精確度遠(yuǎn)不能滿足要求，這就促使人們尋求新的指向儀器，不久陀螺羅經(jīng)問(wèn)世。

陀螺羅經(jīng)作為一種能夠準(zhǔn)確尋找真北的導(dǎo)航儀器，已被廣泛地應(yīng)用在艦船上，成為海上導(dǎo)航的主要儀器，并被視為現(xiàn)代慣性導(dǎo)航的先驅(qū)。`

陀螺羅經(jīng)是一種完全不依賴于外部的聲、光、電、磁等一切信息自主式地尋找真北并在運(yùn)動(dòng)物體上建立穩(wěn)定的真北方位基準(zhǔn)從而準(zhǔn)確測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)方向的慣性器件。陀螺羅經(jīng)是利用地球自轉(zhuǎn)角速度和重力場(chǎng)的綜合效應(yīng)，使二自由度陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸自動(dòng)尋找真北的，是航海上廣泛應(yīng)用的重要導(dǎo)航設(shè)備，不僅可為艦船導(dǎo)航提供精確可靠的航向基準(zhǔn)，還能為火炮、魚雷、導(dǎo)彈等提供方位基準(zhǔn)。

陀螺羅經(jīng)法對(duì)捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，陀螺羅經(jīng)法和傳遞對(duì)準(zhǔn)法是兩種基本的初始對(duì)準(zhǔn)方法。在傳遞對(duì)準(zhǔn)方法中，慣性測(cè)量匹配法對(duì)戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)而言是一種更實(shí)用的初始對(duì)準(zhǔn)方法匹配對(duì)準(zhǔn)法需要裝在運(yùn)載體上的主慣導(dǎo)系統(tǒng)與武器上的從慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的信息綜合，通過(guò)計(jì)算確定主、從慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的相對(duì)姿態(tài)。

有若干種慣性測(cè)量物理矢量可用來(lái)進(jìn)行匹配式傳遞對(duì)準(zhǔn)，如位置姿態(tài)、角速度和比力(加速度)等。速度匹配是一種得到大量研究且應(yīng)用廣泛的方法。然而，從理論上講，角速度和加速度匹配應(yīng)是一種更簡(jiǎn)單且快速的方法，因?yàn)榻撬俣群捅攘y(cè)量直接來(lái)自傳感器輸出且可從中瞬時(shí)地提取失準(zhǔn)角信息。

陀螺羅經(jīng)法的目的是確定IMU坐標(biāo)系統(tǒng)(或機(jī)體系)相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系(當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系)的角位置。1

對(duì)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)基木原則羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)基木原則為:1)通過(guò)提高開環(huán)增益，增加系統(tǒng)剛度，降低穩(wěn)態(tài)誤差，提高對(duì)準(zhǔn)回路的自然頻率，從而保證在幾分鐘內(nèi)，產(chǎn)生多次振蕩調(diào)整;2)通過(guò)配置合理的極點(diǎn)位置，給對(duì)準(zhǔn)回路提供適當(dāng)阻尼，衰減振蕩能量，盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與其他控制系統(tǒng)校正問(wèn)題一樣，SINS羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)參數(shù)的選取也具有一定矛盾性:提高對(duì)準(zhǔn)回路的自然頻率意味著算法對(duì)準(zhǔn)速度加快，帶來(lái)的副作用是超調(diào)量也會(huì)增加;反過(guò)來(lái)，增大阻尼比會(huì)降低超調(diào)量，但會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間增加。因此羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際使用工況和指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，在精度和快速性質(zhì)之間進(jìn)行折中。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)提出爭(zhēng)議的根源在于不同的參數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)性能大相徑庭。在上述兩條設(shè)計(jì)原則中，提高開環(huán)增益的目的明確，也容易理解，但試驗(yàn)表明，極點(diǎn)配置情況決定著羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)最終穩(wěn)定時(shí)間，決定了羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)在晃動(dòng)基座的對(duì)準(zhǔn)精度。2

發(fā)展平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般采用陀螺羅經(jīng)方法進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求，因此需要進(jìn)行縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間技術(shù)研究。動(dòng)調(diào)陀螺器件級(jí)測(cè)試時(shí)，陀螺工作在力反饋狀態(tài)下，其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間很短。利用這一特性，可以找到一種平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速對(duì)準(zhǔn)的方法，即平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)力反饋狀態(tài)下快速對(duì)準(zhǔn)。哈爾濱工程大學(xué)任宏文將力反饋回路引入平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，利用兩個(gè)方位位置陀螺所敏感的地速信息進(jìn)行方位解算，實(shí)現(xiàn)慣性平臺(tái)快速尋北。在此基礎(chǔ)上，完成慣性平臺(tái)的水平對(duì)準(zhǔn)及陀螺漂移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)。仿真分析結(jié)果表明:快速對(duì)準(zhǔn)方位角測(cè)量精度可以滿足要求。為了驗(yàn)證該方法的可行性，進(jìn)行了多次對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)準(zhǔn)時(shí)間縮短至8 min，方位角測(cè)量精度達(dá)到6'，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較原對(duì)準(zhǔn)方法明顯縮短，精度滿足使用要求。這種快速對(duì)準(zhǔn)方法縮短了系統(tǒng)陣地準(zhǔn)備時(shí)間，有利于提高導(dǎo)彈部隊(duì)的快速反應(yīng)能力。

通過(guò)力反饋回路可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速尋北。具體做法:使用一塊包含三路力反饋電路的電路板，從平臺(tái)上將三軸陀螺信號(hào)傳感器輸出信號(hào)引入力反饋回路，在信號(hào)傳感器與力反饋電路板之間設(shè)計(jì)了一個(gè)兩刀開關(guān)，控制力反饋回路的開閉。力反饋回路將陀螺輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電流后再引到三軸陀螺的主力矩器，使陀螺工作在力反饋狀態(tài)，控制陀螺跟蹤進(jìn)動(dòng)。另外，從力反饋回路輸出端將控制電流引至地而測(cè)試設(shè)備，并在測(cè)試設(shè)備上裝一塊電流/頻率轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，通過(guò)頻率信號(hào)即可計(jì)算陀螺信號(hào)。3