陀螺尋北儀現場校準方法研究

付永杰

（92493 部隊，遼寧葫蘆島125000）

1 引 言

陀螺尋北儀由高精度雙軸動力調諧陀螺測量地球自轉角速度，自主確定所附載體的真北方向值［1］。 按照陀螺儀原理，它能根據地球自轉角速度的北向分量自動尋找并跟蹤地理北向，并能夠精確測定地面點的方位角。 與傳統北向儀器陀螺羅經和磁羅盤相比，其具有全天候，機動性強、自主定向精度高、定向速度快、使用簡單方便，便于攜帶的優勢［2］。 陀螺尋北儀主要應用于雷達、天線、軍用車輛初始對準和方向控制。 由于陀螺尋北儀是用于定向的儀器，其尋北精度是陀螺尋北儀最主要的技術指標。 目前，關于陀螺尋北儀的現場校準還沒有統一的規范。 各研制單位和生產廠家均是采用自行編制的單項專用或野外方法進行測試評估［3］。目前，國內外有一些陀螺尋北儀校準實驗室建立北向方位角基準。 其主要方法是在地面建立兩個大地測量點，按照大地測量的方法埋設地標，形成一條方位基準邊或通過平行光管或平面鏡將標準引出［4］。 國外如：英國諾丁漢大學，在實驗室建立了長為43.136m 的基線，兩端埋設了十分堅固的基石，將室外已知天文方位角傳遞到這條基線上，為陀螺儀檢測和儀器常數的標定提供了一個理想的條件。 德國GYROMAT2000 陀螺尋北儀也建有相應定向精度校準裝置。 在國內，西安測繪研究所也建有陀螺尋北儀校準裝置［5］。 北京長城計量測試技術研究所也有陀螺經緯校準裝置，它是用一個平行光管作為北向方位角。 北京航天計量測試技術研究所建立的北向基準，采用平面鏡與平行光管集成到一個墩上的方案，來實現陀螺尋北儀的尋北精度校準。 在實驗室建設基巖墩，在基巖墩上安放平行光管或者平面鏡，再對其進行引北賦值的方法，精度高，系統穩定，但是無法在現場進行測試。 現在使用中的大部分陀螺尋北儀安裝在車輛上，不能卸載下來。

本文提出了一種陀螺尋北儀現場校準方法，解決陀螺尋北儀的現場校準問題。

2 陀螺尋北儀校準原理

2.1 基本術語

天文方位角：過某點的重力線在大地水準面上的交點的天文子午面到過該交點的重力切線和過另一點的重力線的大地水準面上的交點所組成的平面的夾角［6］。

儀器常數：陀螺經緯儀陀螺軸穩定位置的子午面與地面的交線與真子午線的夾角［6］。

尋北時間：從啟動陀螺電機到顯控裝置顯示出真北方向的時間［7］。

尋北重復性是以陀螺經緯儀一測回定向標準偏差σ 來評定的。 尋北精度由尋北重復性定義［8］。

2.2 使用的測量標準及設備

陀螺尋北儀校準的標準設備主要是方位角標準和計時器。 方位角標準一般用已經進行引北賦值的平行光管或平面鏡組成，方位角測量標準偏差應不大于儀器標稱值的1／4。 計時器一般用秒表，秒表分辨率≤1s。

2.3 校準項目

陀螺尋北儀的校準項目主要包括儀器常數、尋北重復性（即尋北儀精度）和尋北時間。

2.4 工作原理

陀螺尋北儀的實驗室校準采用直接測量法進行［6］。

1）儀器常數

陀螺經緯儀的儀器常數在方位角標準上進行校準。 將儀器安裝在工作臺上，精確整平，使陀螺經緯儀望遠鏡視準軸與方位目標精確瞄準或準直，進行尋北觀測，獲得方位角測量值A1，此為一次測量，按照上述操作至少進行6 次獨立測量，分別得方位角測量值Ai。 按式（1）計算儀器常數為

式中：Δ——儀器常數，（o′″）；Ai——第i 次方位角測量值，（°′″）；A0——方位角標準值，（°′″）；n——測量次數（i ＝1，2，…，n）。

2）尋北重復性

在儀器常數校準結束后，按式（2）計算尋北重復性

式中：s——尋北重復性，（″）；Ai——第i 次方位角測量值，（″）；——n 次方位角測量值的平均值，（″）。

計算得的尋北重復性即是設備的尋北精度。

3）尋北時間

在儀器常數校準時，用計時器記錄尋北開始到顯示真北方向的時間，取多次測量時間的最大值作為尋北時間T。

3 陀螺尋北儀現場校準方法

陀螺尋北儀的現場校準采用傳遞比較法進行校準。 使用的標準設備主要有高精度陀螺經緯儀、平行光管、北向基準引出塊和秒表組成。 其中高精度陀螺經緯儀用于產生北向基準。 平行光管經高精度陀螺經緯儀賦值后，可以作為帶瞄準鏡的陀螺尋北儀方位角標準，同時也作為北向傳遞途徑。 北向基準引出塊由測量基準面和基準引出平面鏡構成，作為無瞄準鏡的陀螺尋北儀方位角標準。 秒表用來測量尋北時間。

首先，用實驗室陀螺尋北儀校準裝置，對高精度陀螺經緯儀進行校準，然后，利用校準后的高精度陀螺經緯儀作為傳遞標準，對平行光管進行引北賦值，利用平行光管為北向傳遞途徑，采用與北向光管平行的基準面將北向基準引入到基準面上實現與被測陀螺尋北儀的基準對齊，平行光管和基準面作為現場校準時的方位角標準，用于現場校準陀螺尋北儀。 陀螺尋北儀現場校準裝置中的方位角標準進行引北賦值，再用賦值后的方位角標準作為北向基準，校準車載陀螺尋北儀。

現有陀螺尋北儀主要有兩類，一類是帶瞄準鏡的陀螺尋北儀，另一類是不帶瞄準鏡的陀螺尋北儀［9］。

1）帶瞄準鏡的陀螺尋北儀現場校準方法

用高精度陀螺經緯儀瞄準平行光管，對平行光管進行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準。 高精度陀螺經緯儀測量方位角值α，把高精度陀螺經緯儀從基座上取下來，把被測的陀螺尋北儀放在基座上，用被測陀螺尋北儀測量方位角值α1，由式（2）計算尋北精度。 測量原理圖如圖1所示。

圖1 帶瞄準鏡的陀螺尋北儀現場校準原理圖Fig.1 Field calibration principle diagram of the gyro north finder with sight

2）不帶瞄準鏡的陀螺尋北儀現場校準方法

用高精度陀螺經緯儀瞄準平行光管，對平行光管進行引北賦值，使平行光管為北向方位角基準，通過北向基準引出塊引出平面將平行光管的北向光軸引出變成被測陀螺尋北儀的可測基準，當帶有側面基準的被測陀螺尋北儀靠緊北向基準引出塊引出平面后即可確定被測陀螺尋北儀的北向方位角值α1，由式（2）計算尋北精度。 測量原理如圖2所示。

圖2 不帶瞄準鏡的陀螺尋北儀現場校準原理圖Fig.2 Field calibration principle diagram of the gyro north finder without sight

4 陀螺尋北儀現場校準方法測量結果不確定度分析

采用本文提出的陀螺尋北儀現場校準方法，由高精度陀螺尋北儀、平行光管、北向基準引出塊組成的現場校準裝置，根據其測量原理，測量不確定度來源如下。

1）選用北京博飛GTS－1 高精度陀螺經緯儀作為北向傳遞標準，經實驗室校準后，該設備北向定向的誤差引起的不確定度為u1＝10.0″；

2）選用平面度為0.2μm 平面鏡作為基準引出平面鏡，由基準引出平面鏡平面度及平行度引起的不確定度為u2＝5.0″；

3）選用焦距為550mm 的平行光管作為方位角標準，由平行光管瞄準誤差引起的不確定度為u3＝1.0″；

4）由平行光管與基準平面鏡測量及調整不平行的誤差引入的不確定度u4＝6.0″；

5）除上述這些影響測量精度的主要因素外，還有由于放置方式等因素引起的測量不確定度，該項不確定度為u5＝2″。

擴展不確定度為U ＝2uC＝12.8″×2 ＝26″（k ＝2）。

經測量不確定度分析與評定，用提出的現場校準方法和校準裝置，可校準尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀。 在實際應用中，通過提高傳遞用高精度陀螺經緯儀的技術指標，可以提高該方法的測量精度。

5 結束語

本文提出的陀螺尋北儀現場校準方法，采用比較測量方法，用高精度陀螺尋北儀作為傳遞標準，在現場對方位角基準平行光管和平面鏡進行引北賦值，可實現帶瞄準鏡和不帶瞄準鏡的尋北精度在1′（σ ＝1）以下的陀螺尋北儀現場校準，解決了車載陀螺尋北儀無法現場校準的問題。 實踐證明，該方法在陀螺尋北儀尋北儀精度的現場校準有較好的應用前景。