挠性寻北仪调试中的误差分析及补偿方案

胡小兵

摘 要：挠性寻北仪是一种高精度的定向仪器，主要用来对雷达天线、军用车辆、坦克、自行火炮以及单兵作战系统等，自主提供方位信息。这种仪器能够适应多种环境，并能在静态下自动标定出载体的方位，是一种自主式的定向设备。在实际应用过程中，相关人员只需按照特定的通讯协议来控制寻北仪，寻北仪将给出其基准边与真北零的真实偏差角，从而为载体提供必要的方位指示。基于此，我们就特别有必要在调试过程中去探究寻北误差以及解决措施，也就是寻北仪的误差分析及补偿方案。

关键词：挠性寻北仪；误差分析；补偿方案

引言

寻北仪主要是利用陀螺仪原理，对地球自转角速率在正北方向的惯性进行测量。挠性寻北仪技术目前已经相当成熟，与其他方式的寻北仪相比，这种寻北仪具有检测精度高、体积小、成本低等诸多优点，所以这种设备也被广泛应用于各个领域。

1、寻北原理

因为挠性寻北仪的动力调谐陀螺和石英加速度计的分别敏感性主要是地球自转角速度在陀螺轴上的分量和重力加速度矢量在加速度计敏感轴上的分量，所以有必要首先介绍一下几种坐标系。

坐标系介绍。如图1所示，该图显示的是地球坐标系，坐标系的原点就是地球的中心O，X轴与Y轴位于赤道平面内，X轴指向格林尼治经线（0度经线），Y轴指向90度经线，而Z轴与地球的自转轴平行，这三个坐标轴满足右手定则，所以地球坐标系会以地球自转角速度相对于惯性坐标系进行运动。

如图1所示，地理坐标系，该系的原点在载体的质心，X轴与Y轴在当地的水平面内，X轴与正东方向重合，Y轴与正北方向重合，Z轴沿着地垂线指向天，因此地理坐标系也叫东北天坐标系，有的资料也叫西北天坐标系等，主要是取的方向不一样，原理上都是相同的，三个坐标轴都符合右手定则。

除了以上讲述的二种坐标系之外，相关工作还需要明确载体坐标系和陀螺坐标系。载体坐标系的原点就是寻北仪载体的重心，载体的纵轴方向是Y轴，右侧为X轴，Z轴分别于X、Y轴垂直，并且构成满足右手定则的坐标系。陀螺坐标系的原点在陀螺仪的中心，陀螺的两轴或三轴相互垂直，并且三个轴需同时满足右手定则。

挠性寻北仪就是通过挠性陀螺及石英加速度计敏感地球的自转角速率分量和重力加速度分量，运用数理算法加以解算、补偿，从而得到载体基准边与真北零之间的顺时针偏差角，从而得出载体所需的真实方位。

2、误差分析

挠性寻北仪在进行实际工作时，无论进行多么精准的校对，依然会存在一些系统误差，但是大多数人员依然会将其看作是较为理想的系统。比如，认为寻北仪的转动部分没有误差、陀螺和加速度计安装也很理想没有交叉耦合误差等。但实际上系统在结构加工、装配、安装等各环节都不可避免地存在误差。一般来说，误差源可分为：

2.1元件误差

这主要指陀螺和加速度计的零位漂移及刻度因素误差，A＼D采样误差，各部分功能电路的漂移、噪声等所引起的误差。

2.2转动机构误差

在整个寻北仪的转动机构安装过程中，必然存在陀螺仪敏感轴与转动机构转动轴的相对误差，加速度计敏感轴与转动机构的相对误差，系统安装面与转动机构的平行度误差等，这些都与寻北仪传感器组件以及转动机构的安装有直接关系。

2.3物理量误差

寻北仪对不同地点进行测量时，得到的纬度值和重力加速度值很难做到精准代入，所以，只能代入近似值，因此，这将会给最终的寻北结果造成影响。

2.4外界干扰

在理想状态下，寻北仪应当工作在静态条件下，但实际工作的环境下外界扰动、强风等干扰，使得工作状态不完全为静态。这样就给寻北精度的准确性带来较大的误差。所以，我们必须想办法来克服外界干扰对寻北精度的影响。

3、误差补偿方案

3.1寻北仪温度补偿

温度补偿主要是对元件在不同温度条件下性能变化对寻北精度的影响进行补偿。挠性陀螺和加速度计的零位温度误差是导致寻北仪在不同温度下工作而产生精度误差的主要原因。因此，为了提高寻北仪的检测精度，就应该重点解决挠性陀螺和加速度计信号的温度误差。温度误差和寻北结果是正比关系，通常可以用折线进行逼近补偿，逼近补偿的精度主要由折线数量决定，折线段数越高，补偿精度越高，一般是利用数字电路对建立的数学模型进行算法补偿。

3.2寻北仪线性度补偿

线性度补偿主要是对转位误差和物理量误差带来的在圆周精度上的误差进行补偿。在实际的工程使用中证明，寻北仪的寻北结果误差在一个圆周里的不同位置上呈现不规则的曲线。将寻北仪安装在精密转台上每隔一个固定角度进行一次寻北输出可以看出，寻北结果与转台的参考基准值有相对误差存在，此时寻北仪的线性度补偿就显得十分重要。经过多次实验测定出这个误差值，并将其连成一条光滑的曲线。经过多次圆周数据提取实验后将各次圆周曲线对比可以发现，尽管每次的曲线不尽相同，但是它们的變化趋势是一样的。将多条误差曲线叠画在一起，取各点的中值，可以得到一条近似的趋势线，再对拟合的趋势线进行特定算法拟合，得到一条较为理想的离散拟合曲线，该曲线尽量拟合成一条水平直线，这样的圆周线性度的绝对误差才能控制在合理的理想范围内，才能满足用户的实际使用要求。

3.3 环境适应性的补偿

环境适应性的补偿就是所说的对外界干扰误差的补偿。为提高寻北仪的环境适应性，我们通常考虑的是通过结构减震、解调回路带宽的合理化调整以及算法上的相应处理来实现。通过上述三种方式的处理，能较好地提高寻北仪对环境适应性的要求，而要根本解决寻北仪的环境适应性问题，还得从算法上入手，引入惯导算法，将传统的静态寻北改为动态寻北，该方面的工作已取得实际应用的成功。

结来语

通过对挠性寻北仪调试过程的误差分析和补偿，对寻北仪的精度有了较大的提升。寻北仪未来会朝着小型化、系统化、高精度的方向发展，同时也会满足现阶段各项工作的主要需求。今后的寻北仪在提高寻北精度的同时，也会进一步缩短寻北时间，提高寻北仪对外界环境的抗干扰能力。未来，相关工作人员需要进一步研究陀螺和加速度计的抗干扰能力，进而不断提高寻北精度。

参考文献：

[1]贾智学，张小凯，任佳婧.挠性陀螺寻北仪解算方法研究[J].航天控制，2017，35（01）：82-85.

[2]卜继军，魏贵玲，李勇健.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]吴学强.挠性寻北仪的关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2010.