加速度计寻北系统的设计及关键技术研究

　　0　引言

　　军事应用领域中,如机动发射的导弹武器系统及移动式飞行器外弹道测量系统都存在着自主定位定向问题,这一问题的关键有3个:

　　1)自主方式(最佳方式是不依赖外界的信息独立保守系统);

　　2)定位定向作业时间变快(机动发射导弹武器系统要求定向作业时间小于5 min);

　　3)定位定向精度要高(机动发射导弹武器系统定向精度要求10″~20″)。

　　工程测量应用领域中,也存在着确定方向的问题。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。由于它可以不受地形条件(地面、地下),气候条件(阴雨、阳光),时间条件(白昼、黑夜)的限制以及外磁场的影响,真正达到了自主无依托的寻北定向目的。传统的寻北系统采用气浮速率陀螺、动力调谐陀螺、环型激光陀螺、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,人们为研究低成本的寻北进行了不懈努力。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。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,这是其他定向方法所不及的。

　　1　系统设计

　　1)寻北系统的基本原理

　　通过研究发现,在地球表面可将地球自转角速度ω_E分解为两个分量,如图1所示,水平分量ω_N=ω_Ecosλ沿地球经线指向真北,垂直分量ω_V=ω_Esinλ沿地球垂线垂直向上(λ为纬度角)。可见,利用惯性技术测量或敏感地球自转角速度的水平分量可获得地球的北向信息,这就是寻北系统的基本原理。

　　2)基于哥氏效应的加速度计寻北系统

　　地球上的物体相对于地球运动,而地球又绕地轴自转,因而组成复合的运动。在一般问题中,地球自转的影响可略去不计。但是在某些特殊情况下,却必须加以考虑。本文所讨论的寻北系统方案,正是利用地球自转这一实际情况,以地球作为动参考系(牵连运动),构造一个水平的恒速转台,以转台边缘的某个切点为参考点(相对运动),其切向速度与地球自转角速度的北向分量形成复合运动产生哥氏加速度。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。其基本原理如图2所示,加速度计输出曲线见图3。