方位引出装置框架误差分析与修正

关 劲，熊成强，张 群，赵爱武，徐 凯，戚勇刚

（1. 海军装备部，北京 100036；2. 天津航海仪器研究所，天津 300131）

方位引出装置框架误差分析与修正

关 劲1，熊成强2，张 群2，赵爱武2，徐 凯2，戚勇刚2

（1. 海军装备部，北京 100036；2. 天津航海仪器研究所，天津 300131）

炮兵指挥车通过方位引出装置实现对目标方向和位置的测量。采用两环结构的方位引出装置存在着框架误差，影响对目标位置和方位角的测量精度。通过应用方向余弦矩阵法，研究了框架误差的产生机理，推导了框架误差的补偿公式。通过数学分析和仿真，验证了方位引出框架误差补偿的正确性。实验结果证明：该补偿方案能够对方位引出两环结构带来的框架误差进行实时修正，补偿后的精度（PE）≤0.3 mil，满足战技指标要求，实现对目标位置和方位角的准确测量。

方位引出装置；定位定向系统；方向余弦矩阵法；框架误差

方位引出装置是炮兵射击指挥车的重要组成部分。方位引出装置的作用是在车载定位定向系统所提供的航向角和水平姿态角的基础上，测量目标在地理坐标系下的航向角和俯仰角，完成目标方位的解算，为侦察车与指挥车提供目标的姿态和位置数据，满足快速赋予火炮基准射向和连测炮兵阵地战斗队形的要求。同时测定目标方位角、高低角和距离，与车载定位定向系统配合可以完成确定目标位置坐标的功能。

基于体积、重量和成本等方面的考虑，方位引出装置一般采用两环结构，比经典惯导平台的三环结构少了一个水平环。方位引出装置在载体车顶部安装，在车内全自动操作，而定位定向系统一般安装在载体车内，与方位引出装置安装不在一个基准上，也无法实现机械基准调整，由于结构上的特殊性，导致其测得的方位角和俯仰角不是地理坐标系下的方位角和俯仰角，需要修正框架误差，进行解析调平。本文分析了框架误差的产生机理，用方向余弦矩阵法推导了误差补偿公式，可以达到消除误差的目的。

1 框架误差的形成

以地理坐标系 XtYtZt作为参考系，载体系XbYbZb相对地理坐标系的位置由三个姿态角确定，即纵摇角P、横摇角R和航向角H。按照航向角、纵摇角和横摇角的定义，可按下列顺序分三次转动得到：

则：

平台式惯导系统的平台结构形式如图1所示。由其结构形式可以得出地理坐标系到载体系的坐标变换矩阵为：

式(2)中， R'、 P'、 H'分别为平台常平架各环测得的横摇角、纵摇角和航向角。

比较式(1)和(2)，可以知道，采用这种配置的常平架，其坐标转换矩阵与标准的平台系到地理系的变换完全一致，都是先方位，后纵摇，再横摇的顺序，不存在框架误差。也就是说，在常平架的各个环上测得的姿态角等同于地理系下的标准角度值，不需要进行框架误差补偿，所以图1所示的平台结构形式在惯导系统中应用最为普遍。

方位引出装置由竖轴轴系、水平轴轴系构成双轴系统，由安装台体、方位旋转支架、底座以及轴承支撑构成框架结构，由角度传感器、力矩电机、输电装置等机电元件构成全自动方位引出装置的基本组成。方位引出装置采用了两环结构，省略了水平横摇环，如图2所示。这样，方位引出装置上方位环测得的航向角和纵摇环上测得的俯仰角不同于目标在地理坐标系的航向角和俯仰角，需要补偿框架误差，进行修正，才能得到地理坐标系下的方位角和俯仰角，完成位置和姿态解算。

图1 惯导平台结构示意图Fig.1 Structure of inertial platform

图2 方位引出装置结构示意图Fig.2 Structure of azimuth extractor

2 框架误差的修正

由框架误差的产生原因可知，系统的框架误差是由其结构形式确定的。根据方位引出装置的结构及其在载车上的安装方式，可以确定载体系到地理坐标系的矩阵变换要经过五次旋转：

上述过程中，dH′为方位引出测得航向角，dF′为方位引出测得俯仰角，H′、F′、Q′分别为定位定向系统的航向角、纵摇角和横摇角。

具体变换矩阵如式(3)所示：

设目标点在地理坐标系内的姿态角为dH、dF、dQ，则变换矩阵应为：

因为目标点在地理坐标系的位置是唯一的，所以这两个矩阵是相等的。应用三角函数关系，不难得出：

通过上述三个公式，可以由方位引出和定位定向系统的姿态角测量值，得到方位引出所测目标在地理系下的标准姿态角，实现了框架误差的修正。

3 实验验证

以下实验中，由陀螺经纬仪给定四个标准点A、 B、C、D的航向角值H与高低俯仰角值F，每个标准点经方位引出装置测量五组值后，运用上述框架误差修正方法进行解算，最后输出得出表中实验值。

经过工作范围、不同倾斜角状态下的方位角精度和高低角精度等试验，多组实验结果证明精度指标满足方位角精度(PE)：≤0.3 mil，高低角测量精度(PE)：≤1 mil的战技指标要求。可见，解析调平的计算是准确的。

表1 方位角和高低角精度数据Tab.1 Data for precision of azimuth and pitch angle Unit: mil

4 结 论

由于方位引出装置缺少一个常平架，不能直接由方位引出装置上航向角和俯仰角来得到目标的位置和方位角。本文对方位引出的框架误差进行了研究，推导出了方位引出框架补偿方案。数学分析和实验实例表明，该方法计算简便，准确可靠，实现了框架误差的补偿。

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Analysis and correction for gimbal error of azimuth extractor

GUAN Jin1, XIONG Cheng-qiang2, ZHANG Qun2, ZHAO Ai-wu2, XU Kai2, QI Yong-gang2
(1. Equipment Department of the Navy, Beijing 100036, China; 2. Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China)

Artillery command vehicle realizes the measurement of the aim’s bearing and position by using a device to extract azimuth. The azimuth extractor with two-ring structure has gimbal error, which would influence the aim’s measurement precision. The generation mechanism of gimbal error was studied and the error’s compensation formula was derived by applying the direction cosine matrix method. The mathematical analysis and simulations verify the correctness of the compensation for the gimbal error of azimuth extractor. The experiment shows that this method could implement real-time correction for the gimbal error, and the precision after compensation is ≤0.3 mil, meeting the requirements for the tactical and technical index and realizing the accurate measurement about the aim’s bearing and position.

azimuth extractor; inertial positioning and heading system; cosine matrix method; gimbal error

关劲（1962—），男，高级工程师，主要从事惯性技术研究和管理工作。E-mail：LJS19672003@163.com

1005-6734(2014)04-0557-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.04.025

文献标志码：

2014-04-14；

2014-07-16

国防科技预研重点项目（51309010101）