陀螺经纬仪在高机动雷达快速定向中的应用

　　0　引　言

　　地面雷达进入阵地后必须进行阵地标定,即采用某些方法测定其在大地上的位置(称为定位)及天线法线的指向(称为定向)。定位、定向精度是雷达系统测量精度的重要一环,而定向精度对系统精度的影响又要远胜于定位精度,因此对定向标定必须引起足够的重视。

　　目前地面雷达定向标定方法有很多种[1],各有其优缺点。天文测量法测量精度高,但只能在晴朗夜间进行。运用望远镜、光管、经纬仪等仪器的光学测量法和全站仪、双经纬仪法,虽然也具有测量精度高的优点,但必须事先设置方位标,因此雷达阵地基本属于固定或半固定式的预设阵地;而方位标的选址、测量及建设受地理环境影响很大,在多山地区甚至无法找到合适的地点设置方位标;此外观察方位标时极易受光线、大气扰动等环境因素的影响,在夜间、雨雾天气中甚至无法观察,严重影响测量速度和精度。高机动雷达往往要求能够随时随地、全天候展开工作,不可能预设阵地,因此上述标定方法不适用于高机动雷达。两点定位定向GPS测量法虽无需预设阵地,也不受气象、光线条件的影响,但目前GPS两点定向受GPS系统精度的影响,最高定向精度只能达到3′(3σ, 3 m基线)级别,无法满足部分雷达高精度测量的要求;且受阵地周边地物的遮蔽状况、卫星分布状况等因素的影响,GPS测量精度在不同时间、不同地点变化较大,甚至无法工作。还有一种电子罗盘利用磁定向作为快速定向的手段广泛应用于机动雷达的定向标定,但受技术限制,电子罗盘最高测量精度一般不超过0. 3°,无法满足高精度测量的要求。

　　陀螺经纬仪是一种可自主定向的测量仪器,无需设置方位标,测量精度高、易操作,定向速度快(10~20 min完成),仪器与雷达可并行架设、互不干扰,极大地缩短了雷达标定时间,因此可应用于高机动地面雷达的快速定向标定。

　　1　陀螺经纬仪的组成及定向测量原理

　　陀螺经纬仪由惯性陀螺仪、经纬仪、控制计算单元、电池、三脚架等组成。

　　陀螺仪是陀螺经纬仪自主测定真北方向的重要设备,其陀螺敏感部由一根弹性金属悬带悬挂,陀螺敏感部的质心位于悬挂点下方,陀螺主轴保持在水平面内,并可在水平面内来回摆动。陀螺仪具有两个主要特性[2]:当陀螺转子绕陀螺主轴高速旋转时,如果没有外力矩作用,其主轴将始终保持原来空间方向不变,即具有定轴性;当受到外力矩影响后,陀螺主轴将力图以最短路径向外力矩靠拢,即具有进动性。

　　陀螺仪定向测量正是利用上述特性,敏感地球角速度的水平分量,在重力矩作用下,产生向北进动的力矩,使陀螺主轴在水平面内以最短路径向重力矩矢量方向进动,即主轴向子午线方向进动。当主轴进动至子午线方向时,地球自转对主轴不再产生影响,此时理论上陀螺主轴应保持空间方位不变,但由于进动的惯性,主轴会继续摆动。一旦主轴偏离子午线,地球自转又会对陀螺主轴产生重力矩,迫使主轴反向向子午线方向进动,造成陀螺主轴在子午线方向上的左右摆动,其摆动的平衡位置即为该地面点的子午线方向。陀螺定向就是通过测定陀螺主轴在子午线方向左右摆动的平衡位置,由控制计算单元计算出真北方向值。