陳池禮/成都國營錦江機器廠

0 引言

傳統(tǒng)的航向設(shè)備主要由感應(yīng)式磁傳感器、機械式航向陀螺和協(xié)調(diào)放大器等組成，最終通過航向陀螺輸出航向信號，航向指示器接收該信號實時指示飛行器的航向角度，飛控系統(tǒng)接收該信號控制飛行器按預(yù)定航向飛行。根據(jù)航向設(shè)備的工作原理，航向陀螺的輸出精度直接受制于自身漂移誤差的影響，因此，航向陀螺的漂移誤差一直是航向設(shè)備的主要性能指標(biāo)，需要在維護(hù)和修理時重點關(guān)注。

由于傳統(tǒng)測試技術(shù)和測量儀器的限制，想要快速完成航向陀螺漂移誤差的測試往往比較困難，目前為止最主要的方法仍然是通過測量航向設(shè)備在0°、90°、180°和270°四個方位工作30min或1h 后航向指示器指示的變化量大小來確定漂移誤差是否合格。若不合格，調(diào)整產(chǎn)品后再重新測量，非常耗時耗力。能否利用先進(jìn)的儀器與測試技術(shù)實現(xiàn)航向陀螺漂移誤差的快速測試是本文研究探討的目的。

1 航向陀螺漂移誤差原理

航向系統(tǒng)中感應(yīng)式磁傳感器感受飛行器所處位置的地球磁場強度向量方向，為系統(tǒng)提供磁方位信號。航向陀螺為雙自由度水平機械陀螺儀，利用高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性即自轉(zhuǎn)軸可長時間保持給定空間方向不變的特性，在陀螺航向狀態(tài)下其是航向傳感器，在磁航向狀態(tài)下其是磁航向信號平均值的穩(wěn)定器。兩種工作狀態(tài)下，航向信號均從航向陀螺的同一個自動同步傳感器（通常為自整角機發(fā)送器）向用戶發(fā) 送。

然而，再精密的機械陀螺儀在外干擾力矩作用下也不可能一直保持空間方向不變，由此產(chǎn)生漂移誤差，因此，將在外干擾力矩作用下陀螺儀自轉(zhuǎn)軸在單位時間內(nèi)相對于慣性空間的偏轉(zhuǎn)角稱為航向陀螺漂移誤差（或漂移率），其單位是°/h。航向陀螺漂移誤差是衡量航向陀螺儀精度的主要性能指標(biāo)，漂移誤差越小，陀螺儀精度越高。

目前，航向陀螺漂移誤差指標(biāo)基本在±1.5°/h ～±3.5°/h 之間，整個系統(tǒng)的航向誤差能達(dá)到1°左右，航向指示器的最小刻度分辨率基本也達(dá)到1°。若只利用航向指示器的指示讀數(shù)來測量漂移誤差，往往需要花費較長時間才能得到相對準(zhǔn)確的測量結(jié)果，特別是在航向陀螺的維護(hù)修理工作中。重新裝配后的航向陀螺的漂移誤差性能調(diào)整的可能性很大，且有時需反復(fù)調(diào)整。因此，研究必要可行的漂移誤差快速測試方法對于提高工作效率意義顯著。

2 機電同步測量法

航向陀螺漂移誤差機電同步測量法的主要技術(shù)思路是，通過高精度自整角接收機同步航向陀螺自整角發(fā)送器的航向角度，輸出與航向角度瞬時變化值相應(yīng)的微弱交流信號，經(jīng)交流放大器放大，一路輸給跟隨測量電路的微電機控制繞組，以控制電機的轉(zhuǎn)速（對應(yīng)于航向角漂移的大?。?，一路經(jīng)相敏整流后控制電機的轉(zhuǎn)向（對應(yīng)于航向角漂移的方向），再利用該電機帶動的測速發(fā)電機輸出相應(yīng)的直流電信號，經(jīng)電流變換，控制電流表指針的相應(yīng)指示，再將漂移誤差的大小與電流表指針偏轉(zhuǎn)量的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為刻度，即實現(xiàn)航向角漂移誤差的測量。

由于航向陀螺的漂移誤差小，實時的角度變化量更是微乎其微，因此要求自整角接收機具有很高的靈敏度，同樣經(jīng)其轉(zhuǎn)換輸出的實時信號也非常微弱，后級的交流放大器必須具有很高的放大倍數(shù)且自身的噪聲必須很低，在此基礎(chǔ)上，必須使用高速微電機以再次提高系統(tǒng)的靈敏度，將細(xì)小的電壓差轉(zhuǎn)換為較大的轉(zhuǎn)速差?？梢?，機電同步測量法的技術(shù)原理雖不復(fù)雜，但其工程化的實施卻相當(dāng)困難，實現(xiàn)成本較昂貴。一方面，整個跟蹤測量系統(tǒng)通過多級齒輪傳動，特別是要在自整角接收機端部產(chǎn)生微小的角度變化，則在齒輪齒部和間隙處必然出現(xiàn)較明顯的遲滯和過量，導(dǎo)致系統(tǒng)存在周期性擺動，需通過觀察指示表指針擺動的平均值來得出最終的漂移誤差大?。涣硪环矫?，由于航向陀螺的實時角度變化量太小，自整角接收機的靈敏度和輸出端部的齒輪傳動分辨率無法做到真正的實時，只有通過一定的時間積累才能實現(xiàn)航向角度變化量的傳遞，往往需要等待一段時間（通常3 ～5min）才開始讀數(shù)。

3 S/D 數(shù)字測量法

航向陀螺漂移誤差S/D 數(shù)字測量法的技術(shù)思路是，利用高精度自整角機—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（S/D 轉(zhuǎn)換器），直接將自整角航向角度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用單片機（或計算機）和軟件處理計算得出航向角度值和漂移誤差。

目前，國內(nèi)商用S/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)大多為10 位、12 位、14 位和16 位，各位數(shù)對應(yīng)的角度分辨率如表1 所示。

理論上，S/D 轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換精度是指沒有任何轉(zhuǎn)換誤差時的角度分辨率，但因?qū)嶋H轉(zhuǎn)換中存在非線性、信號噪聲、干擾等因素，精度與分辨率的差距會隨著分辨率的提高而增大，如10 位S/D 轉(zhuǎn)換器的精度基本能達(dá)到±0.4°，而16 位S/D 轉(zhuǎn)換器的精度可能就只稍優(yōu)于±19.8″?？梢?，對于航向角度，只需10 位的S/D 轉(zhuǎn)換器就能實現(xiàn)高精度的測量，但對于角度的變化速率即航向系統(tǒng)指標(biāo)中的協(xié)調(diào)速度和漂移誤差測量來說，則是速度越低越不易測量。如協(xié)調(diào)速度為1°/min（60″/s）， 即按秒實時測量1°/min 協(xié)調(diào)速度需要的S/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率優(yōu)于60″，對應(yīng)的位數(shù)至少需15 位。因此，工程中采取了時間換分辨率的方法，即延長測量時間累積讀角度變化量（或測量角度變化量所需的時間）的方式，實現(xiàn)利用低位數(shù)S/D 達(dá)到高位數(shù)S/D 才能測量速度的能力。具體原理是：將測量間隔時間增大到使該間隔時間所對應(yīng)的角度變化量大到能被S/D 轉(zhuǎn)換器所識別（或測量S/D 轉(zhuǎn)換器輸出值變化時所對應(yīng)的時間間隔），將測得的角度變化量除以時間間隔，計算出角度的變化速率。如測量1°/min 的協(xié)調(diào)速度，采用14 位 S/D 轉(zhuǎn)換器時應(yīng)將測量時間間隔增大到2s 以上，采用12 位S/D 轉(zhuǎn)換器則應(yīng)增大到6s 以上，這樣即能基本快速實現(xiàn)對1°/min 協(xié)調(diào)速度的測量，且設(shè)置間隔時間越大（測量速度越低），測量的精度越高。

對于更低角度變化速率的漂移誤差，其測量要求更高。如漂移誤差為1°/h（1″/s），即按秒實時測量1°/h漂移誤差需要的S/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率為1″，對應(yīng)的位數(shù)至少需21 位，若采用16 位S/D 轉(zhuǎn)換器測量需將時間間隔增大到20s，采用14 位S/D 轉(zhuǎn)換器則需增大到80s。同時，由于角度變化速率太小，對測量時初始角度的不確定性引入的誤差必須加以考慮，即S/D 轉(zhuǎn)換器輸出的第一次角度變化量Δθ1對應(yīng)的時間間隔Δt1并不準(zhǔn)確，應(yīng)舍去；第二次開始的Δθ 與Δt 才能代表該次角度變化量與對應(yīng)的時間間隔。同時，由于S/D 轉(zhuǎn)換器精度和航向陀螺的微觀不穩(wěn)定性，單次測量只能代表“瞬間”速度，為了提高測量的可靠性，原則上應(yīng)測量三次以上，并考慮到航向陀螺的漂移誤差與時間成累積關(guān)系的規(guī)律，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。具體的測量程序是：

逐次測量的輸出顯示是為了滿足測量速度需要，多次的測量和數(shù)據(jù)融合是為了滿足測量精度的要求。

可見，對于不小于1°/h 漂移誤差的測量，采用16 位S/D 轉(zhuǎn)換器的測量響應(yīng)時間約為40s，測量結(jié)果讀數(shù)時間約為80s，測量速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，即利用秒表監(jiān)測30min 時相對漂移值與平均值之差的方法，測量精度也有所提高。但若采用14 位S/D 轉(zhuǎn)換器，測量速度將下降4 倍，效果變差很多。

4 電壓測量法

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，超高精度數(shù)字多用表越來越多地進(jìn)入日常工作現(xiàn)場，為采用電壓測量法測量航向陀螺漂移誤差提供了可能。具體實現(xiàn)的原理如下。

設(shè)定用于自整角機的激磁電壓u=EoSinωt，則自整角機輸出的電氣信號表達(dá)式如下：

這里，Φ 為自整角機輸出角度信號的線電壓，其中Φ1為Ⅰ相與Ⅱ相間的線電壓，Φ2為Ⅰ相與Ⅲ相間的線電壓，Φ3為Ⅱ相與Ⅲ相間的線電壓。θ 是自整角機軸角。在0°、90°、180°和270°四個方位附近時，標(biāo)準(zhǔn)自整角機輸出的信號電壓與角度的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表1 國內(nèi)S/D轉(zhuǎn)換器的角度分辨率

由 表2 可 見，1°/h 漂 移 誤 差 的自整角航向角度信號每1 秒角電壓變化量，對于26V 標(biāo)準(zhǔn)來說：0°方位時Φ1為0.126mV、Φ2為-0.063mV、Φ3為-0.063mV，90°方位時Φ1為0mV、Φ2為-0.109mV、Φ3為0.109mV，180 °方 位 時Φ1為-0.126mV、Φ2為0.063mV、Φ3為0.063mV，270 ° 方位 時Φ1為0mV、Φ2為0.109mV、Φ3為-0.109mV。對于57V 標(biāo)準(zhǔn)來說：0°方位時Φ1為0.276mV、Φ2為-0.138mV、Φ3為-0.138mV，90 °方 位 時Φ1為0mV、Φ2為-0.239mV、Φ3為0.239mV，180 °方 位 時Φ1為-0.276mV、Φ2為 0.138mV、Φ3為0.138mV，270°方位時 Φ1為0mV、Φ2為0.239mV、Φ3為 -0.239mV?？梢?，在0°和180°方位下Φ1的電壓變化率最大，90°和270°方位下Φ2與Φ3的電壓變化率較大；對于相同的自整角機，電壓標(biāo)準(zhǔn)越高，靈敏度和精度越高。

表2 標(biāo)準(zhǔn)自整角機理論輸出信號

表3 電壓測量法測量漂移速度（配合計時器）

由于自整角機的激磁和輸出都是400Hz 交流電壓，理論計算出此處正弦函數(shù)值的正負(fù)并沒有實際工程意義，也無法通過電壓測量法判斷出0°與180°、90°與270°的差異，只能通過航向系統(tǒng)自身角度指示來辨別。

根據(jù)表2 的理論計算數(shù)據(jù)，0°、180°、90°和270°四個方位的漂移誤差只需測量Φ1與Φ2（或Φ3）的電壓變化情況就能相應(yīng)地?fù)Q算出結(jié)果，具體測量和換算公式如表3 所示。

電壓測量法的測量速度取決于測量儀器的分辨率和精度。通常，航向系統(tǒng)的漂移誤差指標(biāo)范圍為±（1°～4°）/h，按0.1°/h 分辨率，若選用六位半數(shù)字電壓表，在0°和180°方位，設(shè)置1V 量程檔（61/2 位），考慮到電壓表本身的穩(wěn)定度和不少于3 次的累積平均測量，約10s 能測量換算出漂移誤差大小，在90°和270°方位，設(shè)置100V 量程檔（51/2位），約100s 能測量換算出漂移誤差大?。蝗暨x用八位半數(shù)字電壓表，在0°和180°方位，設(shè)置1V 量程檔（81/2 位），約5s 能測量換算，在90°和270°方位，設(shè)置100V 量程檔（71/2 位），只需 約10s。

另外，正弦函數(shù)只在0°、180°、90°和270°四個方位點附近具有較好的線性度，因此，當(dāng)航向系統(tǒng)自身的方位指示誤差較大時（＞1.5°），必須外用標(biāo)準(zhǔn)指示器進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，否則會影響測量精度。同時，由于電壓測量法為開環(huán)測試法，自整角機輸出的信號電壓還與自整角機的激磁電壓相關(guān)，因此電壓測量法要求激磁電源具有較高的穩(wěn)定度，否則將直接影響測量精度。

表4 航向陀螺漂移誤差測量方法的優(yōu)缺點對比

5 結(jié)論

根據(jù)對三種漂移誤差測量方法的原理分析和技術(shù)特點介紹，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點，如表4 所示。

S/D 數(shù)字測量法和電壓測量法無疑是建立在最新科技發(fā)展成果之上的，無論是精度、可靠性還是成本都具有不可比擬的優(yōu)勢，更適宜推廣運用。本文探討的思路可為相關(guān)測試設(shè)備和方法的研究提供參考。需指出的是，無論是何種測試方法，在實際工程運用中都需針對具體的對象進(jìn)行適應(yīng)性選擇、優(yōu)化和調(diào)試，才能最終獲得滿意的結(jié)果。