[科普中国]-陀螺罗经法对准

陀螺罗经

长期以来，磁罗经作为测定船舶方位用的的指向仪器，在各类船舶上得到广泛应用。然而随着航海事业和造船技术的发展，钢船代替了了木船，特别是大中型船舶和潜水艇的出现，磁罗经的可靠性和精确度远不能满足要求，这就促使人们寻求新的指向仪器，不久陀螺罗经问世。

陀螺罗经作为一种能够准确寻找真北的导航仪器，已被广泛地应用在舰船上，成为海上导航的主要仪器，并被视为现代惯性导航的先驱。`

陀螺罗经是一种完全不依赖于外部的声、光、电、磁等一切信息自主式地寻找真北并在运动物体上建立稳定的真北方位基准从而准确测定运动物体运动方向的惯性器件。陀螺罗经是利用地球自转角速度和重力场的综合效应，使二自由度陀螺仪的自转轴自动寻找真北的，是航海上广泛应用的重要导航设备，不仅可为舰船导航提供精确可靠的航向基准，还能为火炮、鱼雷、导弹等提供方位基准。

陀螺罗经法对捷联式惯导系统来说，陀螺罗经法和传递对准法是两种基本的初始对准方法。在传递对准方法中，惯性测量匹配法对战术武器系统而言是一种更实用的初始对准方法匹配对准法需要装在运载体上的主惯导系统与武器上的从惯导系统之间的信息综合，通过计算确定主、从惯导系统之间的相对姿态。

有若干种惯性测量物理矢量可用来进行匹配式传递对准，如位置姿态、角速度和比力(加速度)等。速度匹配是一种得到大量研究且应用广泛的方法。然而，从理论上讲，角速度和加速度匹配应是一种更简单且快速的方法，因为角速度和比力测量直接来自传感器输出且可从中瞬时地提取失准角信息。

陀螺罗经法的目的是确定IMU坐标系统(或机体系)相对于导航坐标系(当地地理坐标系)的角位置。1

对准参数设计基木原则罗经对准参数设计基木原则为:1)通过提高开环增益，增加系统刚度，降低稳态误差，提高对准回路的自然频率，从而保证在几分钟内，产生多次振荡调整;2)通过配置合理的极点位置，给对准回路提供适当阻尼，衰减振荡能量，尽快达到稳定状态。与其他控制系统校正问题一样，SINS罗经对准参数的选取也具有一定矛盾性:提高对准回路的自然频率意味着算法对准速度加快，带来的副作用是超调量也会增加;反过来，增大阻尼比会降低超调量，但会使调节时间增加。因此罗经对准参数设计时需要根据实际使用工况和指标要求进行调整，在精度和快速性质之间进行折中。国内学者针对罗经对准提出争议的根源在于不同的参数设计会导致对准性能大相径庭。在上述两条设计原则中，提高开环增益的目的明确，也容易理解，但试验表明，极点配置情况决定着罗经对准最终稳定时间，决定了罗经对准在晃动基座的对准精度。2

发展平台惯导系统一般采用陀螺罗经方法进行初始对准，对准时间较长，难以满足现代战争需求，因此需要进行缩短对准时间技术研究。动调陀螺器件级测试时，陀螺工作在力反馈状态下，其达到稳定状态所需时间很短。利用这一特性，可以找到一种平台惯导系统快速对准的方法，即平台惯导系统力反馈状态下快速对准。哈尔滨工程大学任宏文将力反馈回路引入平台惯导系统中，利用两个方位位置陀螺所敏感的地速信息进行方位解算，实现惯性平台快速寻北。在此基础上，完成惯性平台的水平对准及陀螺漂移测量，实现快速对准。仿真分析结果表明:快速对准方位角测量精度可以满足要求。为了验证该方法的可行性，进行了多次对准试验，试验结果表明:对准时间缩短至8 min，方位角测量精度达到6'，对准时间较原对准方法明显缩短，精度满足使用要求。这种快速对准方法缩短了系统阵地准备时间，有利于提高导弹部队的快速反应能力。

通过力反馈回路可实现平台惯导系统快速寻北。具体做法:使用一块包含三路力反馈电路的电路板，从平台上将三轴陀螺信号传感器输出信号引入力反馈回路，在信号传感器与力反馈电路板之间设计了一个两刀开关，控制力反馈回路的开闭。力反馈回路将陀螺输出信号转换为控制电流后再引到三轴陀螺的主力矩器，使陀螺工作在力反馈状态，控制陀螺跟踪进动。另外，从力反馈回路输出端将控制电流引至地而测试设备，并在测试设备上装一块电流/频率转换器将电流转换为频率信号，通过频率信号即可计算陀螺信号。3