CN104006827A - 一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，包括：(1)利用经纬仪测量北极星方位获取真北方向，并将其引至墩位上的棱镜即北向基准棱镜镜面上并进行准直，该北向基准棱镜准直后固定于墩位上以作为北向基准；(2)利用经纬仪将上述北向基准棱镜确定的北向基准引至惯组标定设备转台上的棱镜即北向定位棱镜，并在该经纬仪与该北向定位棱镜镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向；(3惯组标定设备根据该定位北向进行多次北向基准数据采集，并经处理后获得北向基准的稳定性评估测试结果。本发明的方法解决了北向基准的稳定性监测难题，有效地对惯性系统提供了技术支持；该测试方法操作安全、可靠，测试曲线直观、准确。

Description

一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法
技术领域
本发明属于惯性技术领域，具体涉及一种惯组标定用的北向基准稳定性评估测试方法，适用于在高精度惯性系统中对各种因素对北向基准漂移影响进行评估测试，以保证惯组标定数据的精度和可靠性，可应用于航天、航空、船舶等技术领域。 
背景技术
惯组(也称为惯性测量组合或惯测组合)是敏感加速度和陀螺角速率的元件，用于为制导/导航等稳定系统提供测量信息，其精度是否满足设计技术指标要求，将直接关系到产品的性能。而标定系统提供的真北方向基准是否准确，是保证惯组标定数据精度的关键环节，因此需要对标定系统用的北向基准稳定性进行评估测试。 
由于天文测量提供的北向(真北)基准具有精度高、可复观等特点，因此广泛地应用于航天部门的高精度惯性系统中。目前，对于北向基准，业内通常就是通过利用经纬仪等天文测量设备将北极星方位引入固定于地面墩位的棱镜上，作为惯组标定用的北向基准。标定时，惯组标定设备直接引用该北向基准，以完成测量。但是，由于大地脉动、墩位下沉、扭曲、环境温湿度变化、隔离墩上的支架与棱镜的固化材料、间隔时间等有关因素的变化，对北向基准均会带来误差漂移，从而使得标定值不够精确(高精度惯性系统对北向基准的精度要求一般不大于1′)，导致惯组的测量结果不可靠，无法满足产品的精度要求。 
但是，目前没有用于对北向基准进行定期测试评估，以分析确定各种因素对北向基准漂移影响的测试方法。 
发明内容
针对目前现有技术存在的问题或改进的需求，本发明提出一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，通过一个测量装置获得北向基准采集参数(误差漂移)并对其进行曲线拟合和建立数学模型，从而获得北向基准的稳定性评估结果。 
为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下： 
一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，利用经纬仪、设置在墩位上的棱镜和带有棱镜的惯组标定设备转台进行北向基准误差漂移测量，实现稳定性评估测试，其特征在于，该方法包括如下具体步骤： 
(1)利用经纬仪测量北极星方位获取真北方向，并将其引至墩位上的棱镜即北向基准棱镜镜面上并进行准直，即使经纬仪视准轴与该北向基准棱镜镜面法向平行，该北向基准棱镜准直后固定于墩位上以作为北向基准； 
(2)利用所述经纬仪将上述北向基准棱镜确定的北向基准引至所述惯组标定设备转台上的棱镜即北向定位棱镜，并在该经纬仪与该北向定位棱镜镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向； 
(3所述惯组标定设备根据该定位北向进行多次北向基准数据采集，并经处理后即可获得北向基准的稳定性评估测试结果。 
作为本发明的改进，所述北向数据采集的处理为曲线拟合，即将采集的多个北向数据进行一元三次方程拟合，得到北向基准误差漂移曲线，根据上述误差漂移曲线即可评估北向基准的稳定性。 
作为本发明的改进，所述一元三次方程为： 
y＝a+b1x+b2x2+b3x3
其中的自变量x为北向基准数据，因变量y为北向基准误差漂移，a、b1、b2和b3分别为零次项、1次项、2次项、3次项的系数，通过拟合计算得到。 
作为本发明的改进，通过经纬仪、北向基准棱镜和惯组标定设备转台获得北向误差漂移值的具体过程为： 
首先，通过经纬仪的旋转将真北方向引入北向基准棱镜，从而确定所述北向基准与所述真北方向差值为△＝360°-A0，其中A0为北向基准的角度即旋转后的真北方向的角度； 
其次，确定惯组标定设备转台的定位北向与所述北向基准实际差值为：ΔA＝A1-A2，其中A1为经纬仪与北向基准棱镜镜面进行准直后的棱镜角度即北向基准方位角，A2为经纬仪与标定设备转台上的北向定位棱镜准直后测量的方位角； 
最后，确定惯组标定设备转台定位北向的实际角度为△+ΔA，从而得到所述惯组标定设备转台的北向误差漂移值，即所述惯组标定设备转台的北向所处刻度值与所述实际角度△+ΔA的差值。 
作为本发明的改进，所述北向基准棱镜固定于墩位上，该墩位固定在地面上。 
作为本发明的改进，所述墩位上固定设置有支架，所述北向基准棱镜固定在该支架上。 
作为本发明的改进，所述惯组标定设备转台可以为多个。 
本发明的方法中，在进行测量时的测量装置可以包括经纬仪、墩位、 设置在所述墩位上的北向基准棱镜、以及装有北向定位棱镜的惯组标定设备转台，其中，所述经纬仪用于通过测量北极星方位获取真北方向并将其引至所述北向基准棱镜镜面上并进行准直，即经纬仪视准轴与其镜面法向平行，该北向基准棱镜准直后固定于墩位上以作为北向基准，同时，所述经纬仪将北向基准棱镜确定的北向基准引至北向定位棱镜，并在该经纬仪与北向定位棱镜镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向，所述惯组标定设备根据该定位北向进行多次北向数据采集，即可进行北向基准的稳定性评估测试。 
本发明的方法中，北向基准棱镜用914胶固定在拟引入真北基准的墩位(优选大理石隔离墩)的支架上，利用天文测量完成实验场地的北向(真北)基准建立工作；以此北向为基准，利用经纬仪对惯组标定设备转台的北向定位棱镜定期进行跟踪测试并采集数据；计算漂移变化量，例如可以采用计算机主机运行软件程序，对采集的数据进行统计分析，建立拟合曲线和数学模型(曲线回归方程)，从而分析确定各种因素对北向基准漂移的影响和规律。 
本发明的测试方法解决了北向基准的稳定性监测难题，掌握了对北向基准进行关联测试和过程监测的技术，有效地对惯性系统提供了技术支持；该测试方法操作安全、可靠，测试曲线直观、准确。具体为： 
(1)解决北向基准稳定性测量关联关系设计关键技术，建立可测量的基准监测条件。 
(2)通过采集的数据进行统计分析，可建立人机对话平台，建立拟合曲线和数学模型。 
(3)可根据输出各变化量的回归分析预测值，得到每一列测量值的评估结果，解决突发与渐变两种方式的控制评估测试问题。 
附图说明
图1为本发明实施例的惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法原理结构图； 
图2为本发明实施例的惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法的北向基准误差计算过程示意图。 
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、功能和效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。以下实施例仅是说明性的，并不构成对本发明的限定。 
图1为本实施例的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法原理结构图，是利用标定场地提供的北向基准对惯组标定设备的北向进行跟踪测试，实施方式是在观测平台上架设一台自准直经纬仪，要求经纬仪能够与真北方向直角棱镜镜面准直，即经纬仪视准轴与镜面法向平行；同时经纬仪又能够与惯组标定设备的直角棱镜镜面准直。 
其中，经纬仪用于通过测量北极星方位获取真北方向并将其引至北向基准棱镜镜面上并进行准直，即经纬仪视准轴与其镜面法向平行，该北向基准棱镜与所述真北方向准直后固定于墩位上以作为北向基准，同时，经纬仪将北向基准棱镜确定的北向基准引至北向定位棱镜，并在该经纬仪与北向定位棱镜镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向 
北向基准棱镜设置在墩位上，墩位用于固定北向基准棱镜，其固定在地面上，优选是隔离墩位，即墩位四周与外界环境隔开以防止周边震动对 其影响。 
优选地，该墩位上可以固定设置有支架，北向基准棱镜固定在该支架上。 
优选地，惯组标定设备转台可以为多个，以从不同角度进行北向定位，或分别采集北向数据。 
经纬仪优选可以采用T3系列经纬仪。 
图2为北向基准误差测试计算方法示意图，该方法包括如下具体步骤： 
(1)利用经纬仪测量北极星方位获取真北方向，并将其引至墩位上的棱镜镜面上，该棱镜即为北向基准棱镜，并进行准直，即使经纬仪视准轴与该北向基准棱镜镜面法向平行，该北向基准棱镜准直后再固定于墩位上以作为北向基准，其中固定方式可以是通过将棱镜安装在支架上，该支架固定在墩位上。 
(2)利用经纬仪将北向基准棱镜确定的北向基准引至惯组标定设备转台上的棱镜镜面上，该棱镜即为北向基准棱镜上，并进行准直，在该经纬仪与该北向定位棱镜的镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向。 
(3)惯组标定设备根据该定位北向进行多次北向基准数据采集，并经处理后即可获得北向基准的稳定性评估测试结果。 
本实施例中，北向数据采集的处理为曲线拟合，即将采集的多个北向数据进行一元三次方程拟合，得到北向基准误差漂移曲线，根据上述误差漂移曲线即可评估北向基准的稳定性。 
本实施例中以1套惯性系统设备为例，计算一组北向基准误差值如下：通过经纬仪、北向基准棱镜和惯组标定设备转台获得北向误差漂移值的具 体过程为： 
首先，通过经纬仪的旋转将真北方向引入北向基准棱镜，从而确定所述北向基准与所述真北方向差值为△＝360°-A0，其中A0为北向基准的角度即旋转后的真北方向的角度； 
其次，确定惯组标定设备转台的定位北向与所述北向基准实际差值为：ΔA＝A1-A2，其中A1为经纬仪与北向基准棱镜镜面进行准直后的棱镜角度即北向基准方位角，A2为经纬仪与标定设备转台上的北向定位棱镜准直后测量的方位角； 
最后，确定惯组标定设备转台定位北向的实际角度为△+ΔA，从而得到所述惯组标定设备转台的北向误差漂移值，即所述惯组标定设备转台的北向所处刻度值与所述实际角度△+ΔA的差值。 
所述北向基准参数采集的曲线拟合，惯性系统设备的北向基准的参变量中，北向基准的预测偏差与实际测量偏差不存在可靠的线性和非线性关系，在选取的曲线回归方式中，自变量和因变量的散布成为拟合的基本方式，结合我们进行的散点经验分析和实验发现，拟合曲线具有三次方的一定特征，因此确定的回归模型方程为：y＝a+b1x+b2x2+b3x3。在方程中，y为北向基准预测偏差，x为北向基准数据自变量，a、b1、b2和b3分别为零次项、1次项、2次项、3次项的系数即方程回归系数，设置回归分析计算中一元三次方程的各阶系数是通过对惯性系统用的北向基准进行连续定期观测采集的数据单点进行曲线回归分析计算得到的回归方程各项系数，回归方程中的各次系数经过自动的回归分析后得到了与散布曲线一致的固定值。 
所述测试方法就是通过建立拟合曲线和数学模型，进行回归分析计算，输出各变化量的回归分析预测值，并输出每一列测量值的评估结果。 
本发明的评估测试方法中：(1)采用北极星任意时角法建立实验场地北向(真北)基准，把真北引自实验室内的北向基准方位墩的直角棱镜上，即为棱镜法线的方位角，通常称测试场地北向(真北)基准。(2)数据采集步骤中，利用实验室提供的北向基准对惯性系统设备(如转台)的北向进行跟踪测试。方法可以是通过在观测平台上架设一台自准直经纬仪，其中要求经纬仪能够与真北方向直角棱镜镜面准直，即经纬仪视准轴与镜面法向平行，同时经纬仪又能够与惯性设备转台直角棱镜镜面准直，进行数据采集。(3)北向基准稳定性评估测试步骤中，利用惯性系统用北向基准测试评估软件，建立拟合曲线和数学模型，对采集的数据单点进行曲线回归分析计算得到的回归方程各项系数，确定各因素对北向基准漂移的影响和规律，对北向基准稳定性进行评估。 
本发明中，北向基准参数(北向数据，即北向误差值)采集的曲线拟合，是装置测试主机通过对北向基准采集数据的过往变化量的回归分析评估现变化量及变化趋势的功能应用，获得北向基准在不同时期的变化趋势，分析评估各种因素对北向基准漂移的影响和规律。由于参变量没有线性和非线性的典型特征，同时又具有一定的时变随机特征，因此选用的回归分析方式为曲线回归作为最有代表性的分析方式。这种回归方式由于具有一定的曲线拟合优度，适用于在多种条件下的模型选择，通过一定的散点散布可以实现模型的最优化，对于回归参数准确计算出具有可信的结果。 
所述惯测组合标定北向基准测试方法可通过编制评估软件进行计算处 理，运行软件的计算机主机包括主机、显示器、键盘等，运行软件程序，时变量外部采集系统为时间、时间间隔、当时温度、当时湿度等自然条件对话录入采集系统，参变量(观测量)为固定式北向基准、活动式相对基准以及测量比较装置进行的数据比较采集录入系统，完成分析评估各种因素对北向基准漂移的影响和规律。 
本领域技术人员知晓，以上实施例仅用于解释本发明，并不限定于此，凡在不脱离本发明精神实质所作的修改或变形，都属于本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，利用经纬仪、设置在墩位上的棱镜和带有棱镜的惯组标定设备转台进行北向基准误差漂移测量，实现稳定性评估测试，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
(1)利用经纬仪测量北极星方位获取真北方向，并将其引至墩位上的棱镜即北向基准棱镜镜面上并进行准直，即使经纬仪视准轴与该北向基准棱镜镜面法向平行，该北向基准棱镜准直后固定于墩位上以作为北向基准；
(2)利用所述经纬仪将上述北向基准棱镜确定的北向基准引至所述惯组标定设备转台上的棱镜即北向定位棱镜，并在该经纬仪与该北向定位棱镜镜面准直后作为惯组标定设备的定位北向；
(3所述惯组标定设备根据该定位北向进行多次北向基准数据采集，并经处理后即可获得北向基准的稳定性评估测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，其中，所述北向数据采集的处理为曲线拟合，即将采集的多个北向数据进行一元三次方程拟合，得到北向基准误差漂移曲线，根据上述误差漂移曲线即可评估北向基准的稳定性。
3.根据权利要求2所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，其中，所述一元三次方程为：
y＝a+b1x+b2x2+b3x3
其中的自变量x为北向基准数据，因变量y为北向基准误差漂移，a、b1、b2和b3分别为零次项、1次项、2次项、3次项的系数，通过拟合计算得到。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，其中，获得北向基准误差漂移值的具体过程为：
首先，通过经纬仪的旋转将真北方向引入北向基准棱镜，从而确定所述北向基准与所述真北方向差值为△＝360°-A0，其中A0为北向基准的角度即旋转后的真北方向的角度；
其次，确定惯组标定设备转台的定位北向与所述北向基准实际差值为：ΔA＝A1-A2，其中A1为经纬仪与北向基准棱镜镜面进行准直后的棱镜角度即北向基准方位角，A2为经纬仪与标定设备转台上的北向定位棱镜准直后测量的方位角；
最后，确定惯组标定设备转台定位北向的实际角度为△+ΔA，从而得到所述惯组标定设备转台的北向误差漂移值，即所述惯组标定设备转台的北向所处刻度值与所述实际角度△+ΔA的差值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，其中，所述北向基准棱镜固定于墩位上，该墩位固定在地面上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，所述墩位上固定设置有支架，所述北向基准棱镜固定在该支架上。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种惯组标定用北向基准稳定性评估测试方法，所述惯组标定设备转台可以为多个。
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