加速度计寻北系统调平补偿技术分析

　　在军事领域和工程测量中,都存在着自主定向定位问题.随着近代工业机械化、自动化程度的提高,对工程测量的效率和精度也都提出了很高的要求.因此,需要定向系统具有高精度、高效率、高可靠性、自主无依托的能力.

　　寻北系统是惯性技术的重要应用成果,它通过测量或敏感地球速率来获得北向信息,从而测量出任意测点的真子午线位置,实现找北过程,继而达到定向的目的.目前的寻北系统主要采用气浮速率陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺以及静电陀螺等作为惯性器件来完成对地球速率的检测,成本很高.随着加速度计制造精度的进一步提高, 20世纪80年代出现了非陀螺惯性测量单元,由于它摒弃了昂贵的陀螺,从而使制造成本大为下降[1,2].将加速度计应用于寻北系统,可使整体设备具有操作简单、快速、定向精度高、价格便宜等特点,这是其它定向方法所不及的.

　　1　基本工作原理

　　加速度计寻北仪基于Coriolis加速度原理,通过转台动态调制,地球自转角速度的北向分量与该点上切向速度复合生成的哥氏加速度输出为一正弦信号,通过检测出该正弦信号的峰值所对应的相位,即为地球上所在位置的正北方向[1-4].其基本原理如图1所示.将一只加速度计A安装在转台B上,转台轴垂直放置,由电机带动以角速度Ω匀速转动,加速度计测量轴向上,距转台轴的偏心半径为R,ωN代表地球速率的北向分量,则加速度计输出信号为a=-g+a0+aKcos(Ωt-ψ) +σg,

　　式中:g为重力加速度;a0为加速度计的零偏;ψ为转台已标定出的零位与地球自转角速度北向分量ωN的夹角,即需要计算出的真北方向与编码器码盘零位的初始相位;σg为输出噪声;ak=2ΩRωN为最大哥氏加速度.其中,g和a0为常量,可通过交流放大器滤掉.Ω,R,ωN也为常值,则aK为常量.因此,加速度计的输出模型可以改写为a=aKcos(Ωt-ψ) +σg=AcosΩt+BsinΩt+σg,

　　式中:A=aKcosψ;B=aKsinψ.在同一周期内取n个位置θi(i=1,2,3,…,n),寻北加速度计输出的数学模型为ai=Acosθi+Bsinθi+σg,其中:θi=Ωti.进行最小二乘参数估计,则可求出A和B的估计值为

　　因此,北向方位角估计值ψ^= arctan(B^/A^),

　　从而,以转台基准确定地球自转角速度的北向分量,即为地球表面被测的真北方向.

　　2　调平补偿技术

　　当转台转轴倾斜ε角度时,由于地球速率垂直分置ωH的影响,这时系统寻找到的不再是ωN方向,而是ωN和ωHsinε合成速率方向,当转台绕北向倾斜时影响最为严重.因此必须采取措施对由倾斜引入的寻北误差进行修正.另外,加速度计在敏感哥氏加速度的同时,也敏感转台倾斜状态下转动所产生的加速度,该加速度对于测量信号来说是明显的噪声源,必须采取措施滤除.