一种新的光电设备方位角度检测方法

梁庆仟，陶 禹，周丽华，刘 宇

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安710065；2.总装炮兵防空兵装备技术研究所，北京100012；3.驻西安北方光电集团军事代表室，陕西 西安710043）

引言

在炮兵和防空兵的侦察和火控系统中，需要采用光电设备对目标实施探测。为了对目标准确定位（确定其大地坐标），需要测量光电设备方位、俯仰角度以及设备所在基座相对大地北向、水平面的姿态角度。这些角度测量的误差直接影响光电设备对目标的定位定向精度［1－3］。一般情况下，光电设备安装在刚性的平台上，如车辆顶甲板、对面的三脚架或台架上，惯性导航装置或寻北仪提供光电设备相当于大地的北向值，光电设备自身的角传感器（如光电码盘、旋转变压器等）提供瞄准目标的方位角、俯仰角以及光电设备安装基座的姿态角。这种常规的测量方法在实际工程中十分有效。随着战场对抗强度的加剧，炮兵和防空兵的侦察和火控系统越来越多地采取了升降桅杆来承载光电设备，这既能提高通视距离，也有利于提高装备的生存力。这种情况下，由于升降桅杆举升过程中自身扭转和弯曲时会造成光电设备的定位定向误差。通常的有效途径是在光电设备基座上配置惯性导航装置或寻北仪及姿态传感器［4－5］，以测量基座的方位扭转角、俯仰角及横滚角。为提高精度，采用 GPS／INS组合方式［9－11］，抑制INS长时间的误差累积，提高测向精度。这些方式能够准确测量基座在收藏位置和举升后位置的变动，其不足之处是需要采用3个陀螺和3个加速度计及其电子单元，成本高、体积大。最近，还出现了使用双天线 GPS系统完成测向［7－8］，该技术的测量精度不随时间累积，但要求较大的卫星天线距离，不利于车载桅杆系统的收放，同时其输出频率较低不能满足光电设备对高频输出的要求。对于以驻车侦察、三脚架地面侦察定位为主的装备，为有效降低装备成本，利用工作中导航系统主要受到地球重力加速度影响的这一条件，寻求相对较为简单的系统构建模式，改变方位角度的测量获取模式。因此，本文提出采用2个倾角仪和1个陀螺仪完成方位角度的检测方法，并对其进行理论分析和样机试验。

1 基本原理

当载体以三轴角速度［ωxωyωz］T转动时，已知t时刻载体的方位角度、俯仰角度和横滚角度分别为α、θ和γ，则有欧拉角微分方程［6］：

整理得：

当积分时间很短，以至于认为在积分时间内各角度的变化很小，也就是其三角函数变化非常小，以致可以忽略。通过（2）式两边对时间积分求取解算周期内方位角度增量：

式中：Δα、Δθ分别为解算周期内方位角度增量和俯仰角度增量。

在非运动基座条件下，载体三轴上的加速度分量就是地球重力加速度在其上的投影分量。定义载体俯仰轴和横滚轴上的加速度分别为fy和fx，且地球重力加速度模值为G。则根据俯仰角度和横滚角度的定义，则有［6］：

在很多情况下，倾角仪器不能直接给出横滚角度γ，而是给出横滚轴即x轴与水平面的夹角＾θ。根据x轴上的地球重力加速度分量不因为表述方式不同而发生变化，有如下关系：

于是横滚角度γ为

当解算周期前一时刻的方位角度已知时，通过（3）式计算出经过一个解算周期后的方位角度增量，获得经过一个解算周期后的方位角度。经过整理得到：

式中：αt、θt和γt分别为解算周期开始时刻的载体方位角度、俯仰角度和横滚角度；αt＋Δt、θt＋Δt为解算周期结束后的方位角度和俯仰角度，Δt为解算周期，且认为ωz在解算周期内不变，sinγ＝sinγt和cosθ＝cosθt。

2 检测系统设计

根据（7）式解光电设备的方位角度α，必须知道每一解算周期内的θ、γ和ωz。测量系统由2个倾角仪和1个陀螺仪组成。倾角仪分别检测参考轴y轴和x轴相对水平面的夹角，其中检测y轴的倾角仪输出的角度就是俯仰角度θ，x轴倾角仪输出的角度就是（6）式中的＾θ，并根据（6）式解算出γ。陀螺安装在检测系统的z轴上，测量z轴的转动角速度，其输出量就是ωz。如图1所示。

由（7）式看出，求方位角度α的真值还需要知道初始时刻的方位角度。该方位角度初始值通过上位机输入。在不需要知道α的真值，而仅仅需要知道相对初始位置时的变化值时，初始方位角度值设定为零，系统的流程框图如图2所示。

3 实验结果

图1 检测系统Fig.1 Measurement system

图2 流程框图Fig.2 Flow block diagram

采用2个测角精度为0.01°的倾角仪和1个零偏稳定性为0.015°／h的激光陀螺组成测量系统样机进行试验验证。将样机安装在双轴转台上，如图3所示。将双轴转台调整到水平，使样机对准正北，并将0°方位角度初始值输入到样机。样机完成初始对准后，直接转入导航状态。此时，通过不断转动双轴转台的俯仰角度和方位角度值，达到改变样机的理论参考值，并产生相应的转动输入量。样机通过自身的解算获得实时输出结果。通过比较转台此时的方位角度、姿态角度与样机输出的对应角度值，获得样机的测量精度。样机测试结果如表1所示，样机方位角度精度达到0.009°、俯仰角度精度0.009°、横滚角度精度达到0.012°。

图3 样机试验测试Fig.3 Prototype test

表1 样机测试结果Table 1 Results of prototype test （°）

4 结论

本文采用2个倾角仪和1个激光陀螺组成的桅杆光电设备方位角度检测系统，通过倾角仪完成俯仰角速度和倾斜角速度的测量，再通过陀螺完成光电设备的方位轴角速度测量，解算出光电设备的方位角度变化量，结合初始时刻的初始方位角度，获得光电设备在三轴转动过程中的即时方位角度。相对传统的INS系统，该方法减少了2只陀螺的使用，降低了成本。样机实验表明，采用0.01°倾角仪和零偏稳定性为0.015°／h的陀螺时，系统的方位角度精度达到0.009°。

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