基于陀螺全站仪的三轴惯性测试转台寻北方案及实验_孙伟

在陀螺观测时间段 15： 00 － 15： 48 采用逆转点法粗略寻
北、时间段 16： 00 － 18： 20 采用中天法观测。通过中天法
寻北后，令陀螺全站仪水平度盘计数与陀螺寻北一致，照
准基准镜并通过 5 次正倒镜读数，水平度盘读数值取平
均值，求得第 1 次陀螺方位角 at（ 1） = 89°05'34″ ，第 2 次
收稿日期： 2014-03 Ｒeceived Date： 2014-03 * 基金项目： 国家自然科学基金（ 41304032） 、高等学校博士学科点专项科研基金（ 新教师类） （ 20132121120005） 、辽宁省科技厅博士启动基金 （ 20121084） 、测绘遥感信息工程国家重点实验室资助项目（ 12P01） 、第三批应用创新型人才培养立项课题（ YB130207） 资助项目
North finding scheme and experiment for three-axis inertial testing turntable based on gyro total station
Sun Wei，Chu Jing，Li Ｒuibao
（ School of Geomatics，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）
Abstract： Aiming at the fact that the calibration precision of the inertial measuring element error depends on the benchmark precision of inertial test turntable，a turntable plane mirror north finding method based on gyro total station was proposed． The gyro total station constants and the meridian convergence angle were calculated according to the outside level control point coordinates of the laboratory． The collimating observation correction was performed on the gyro total station and T3 theodolite． Then，the normal direction of geographical azimuth for the turntable plane mirror was calculated with the determination of secondary normal angle，and then the turntable north benchmark was established． The laboratory fiber optic gyro inertial navigation system was used to build the experiment platform for the purpose of certifying the turntable zero repetitive verification． Experiment results show that the turntable north finding method based on gyro total station has good feasibility and reliability． Keywords： inertia； gyro total station； testing turntable； north finding
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仪器仪表学报
第35 卷
89° 41'32． 5″ ，第 2 次采用中天法得到陀螺方位角 at（ 引
2） = 89°41'09″ 。
对 2 次观测数据取平均得到基准镜陀螺方位角：
at（ 引）
= at（ 引 1）
+ at（ 引 2） 2
= 89°41'20． 8″ （ 6）
结合式（ 6） 与式（ 5） 计算出的仪器常数完成对基准
2 实验室基准镜真北方位角的确定
由于陀螺全站仪中的陀螺敏感轴与望远镜光轴
及观测目镜分划板零分划线所代表的光轴通常不在
同一竖直面中，所以假想的陀 螺 敏 感 轴 稳 定 位 置 通 常
不与地理子午 线 重 合，二 者 的 夹 角 称 为 仪 器 常 数，用
Δ 表示。定义陀螺仪 子 午 线 位 于 地 理 子 午 线 东，Δ 为
正； 反之为负。基准镜真北方位角的确定过程就涉及
仪器未知常数 Δ 的求取，而 Δ 可在已知方位角的精密
导线边上直接测量，利 用 实 验 室 外 已 知 的 国 家 大 地一
级 控 制 点 G54（ X，Y） = （ 4 646 128． 449，502 232． 078） 、 G24 （ X，Y） = （ 4 646 131． 346，502 385． 876） 对陀螺全站 仪的仪器常数进行计算，并将计算结果与计算方法用于
中天法陀螺方位角 at（ 2） = 89°05'37″ 。对 2 次观测数
据取平均得到精密导线边 G54 G24 陀螺方位角：
at
= at（ 1）
+ at（ 2） 2
= 89°05'35． 5″
（ 4）
将式（ 2） ～ （ 4） 代入式（ 1） 即可完成仪器常数的求取：
Δ = 0°47'43． 17″
第 35 卷 第 7 期 2014 年 7 月
仪器仪表学报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol. 35 No. 7 Jul． 2014
基于陀螺全站仪的三轴惯性测试 转台寻北方案及实验*
孙 伟，初 婧，李瑞豹
（ 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院 阜新 123000）
0°00'06． 5″ + 180° － 10°02'3． 95″ － 1°34'01． 64″ =
178°53'12． 56″
（ 8）
表 1 陀螺全站仪与引北镜准直观测夹角 Δα
器点 G54 的高斯平面坐标求得： γ = kg = k（ 502 － 500） ″ = （ 0． 476 8 + 0． 015 3 ×
0． 46） 2″ = 0°58'04″
（ 3）
参数 k 经查询子午线收敛角系数表计算求取。
图 1 角位置相对关系 Fig． 1 Ｒelative relationship of the angles
功能，能满足载体携带的惯性 系 统 及 惯 性 元 器 件 的 全 部功能测试和实验［1-7］。它是惯 导 系 统 测 试 和 半 实 物 仿真不可缺少的组成部分，其 性 能 的 高 低 直 接 影 响 到 仿真结果的可靠性。
由于惯性制导技术受到世界技术先进国家的普 遍重视，美国、俄 罗 斯、德 国、英 国、法 国、瑞 士、中 国、 印度等国都投入了大量的资金和人力从事转台的研 制［8-13］。美国 在 转 台 制 造 方 面，无 论 数 量、种 类 和 精
1引 言
转台是一 种 复 杂、集 光 机 电 一 体 的 现 代 化 设 备， 在航空、航天领 域 中 进 行 半 实 物 仿 真 和 测 试，用 于 对 惯性器件进行姿态角位置、角 速 率 和 动 态 特 性 校 准 的 一种专用测量装置，可提供载 体 运 行 时 的 三 维 姿 态 角 及模拟载体所 受 扰 动，具 有 位 置、速 率、摇 摆、伺 服 等
第7 期
孙 伟 等： 基于陀螺全站仪的三轴惯性测试转台寻北方案及实验
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度及自动化方 面，都 居 于 世 界 领 先 水 平，AEＲOSMITH 已成为国际标榜。由于转台 具 有 特 殊 的 军 事、太 空 等 应用需求，国外对我国实行 了 严 格 的 禁 运。 我 国 的 转 台研制虽然比发达国家起步 晚，但 这 些 年 来 也 取 得 了 长足的进 步。 从 1965 年 开 始，我 国 转 台 的 研 制 工 作 经历了 单 轴、双 轴 阶 段，发 展 为 近 年 来 的 三 轴 转 台。 1966 年，707 所的单轴伺服台 DT-1 型进入 研 制 阶 段； 1975 年，303 所 研 制 成 功 了 SFT-1 ． 1 型 伺 服 台； 1979 年，哈工大与 6354 所 及 441 厂 合 作 研 制 了 我 国 第 一 台双轴伺 服 转 台； 1983 年，航 天 部 一 院 13 所 研 制 的 SSFT 型双轴伺 服 台 是 我 国 最 大 的 双 轴 伺 服 台； 1987 年，哈工大与 6354 所 共 同 承 担 了 计 算 机 控 制 双 轴 转 台即 CCGT 的 研 制 任 务； 1990 年，303 所 研 制 成 功 了 SGT-1 型三轴捷联惯导测试转台等［14-17］。
镜法线坐标方位角 α引的计算：
α引 = at（ 引） － Δ = 89°41'20． 8″ － 0° 47'43． 17″ =
88°54'37． 63″
（ 7）
根据图 4 与表 1 ～ 4 显示的计算结果，得到基准镜法
线与转台平面镜法线夹角 θ 的计算过程如式（ 8） 。
θ = α + Δα + 180° － （ β + Δβ） = 10°29'24． 65″ －
a0 = 88°55'15． 17″ ，根据图 1 所示的相对角位置关系，可
得到地理方位角 A0 和坐标方位角 a0 的函数关系：
A0 = a0 + γ = 88°55'15． 17″ + γ
（ 2）
式中： 子午线收敛角 γ 的符号由安装仪器点的位置确定，
定义中央子午线以东为正、以西为负； 其值可根据安置仪
摘 要： 针对惯性测量元件误差参数的标定精度取决于惯性测试转台的基准精度，提出一种基于陀螺全站仪的转台平面镜寻 北方法。利用实验室外一级控制点坐标计算陀螺全站仪的仪器常数并求取子午线收敛角，对陀螺全站仪和 T3 经纬仪进行准直 观测修正并测量法线夹角完成转台平面镜法线方向地理方位角的求取，以此实现转台北向基准的建立。采用实验室光纤陀螺 惯导系统搭建实验平台并开展多位置敏感地球自转角速度分量的重复性验证实验，结果表明基于陀螺全站仪的转台北向基准 测定方法具有较好的可行性与可靠性。 关键词： 惯性； 陀螺全站仪； 测试转台； 寻北 中图分类号： U666． 12 文献标识码： A 国家标准学科分类代码： 510． 80
转台首次安装使用 前，需 要 完 成 转 台 所 在 位 置 处 的台体初 始 零 位 与 地 理 北 向 夹 角 的 确 定，即 转 台 寻 北。由于转台基准镜与地理北向夹角的精度直接影 响到惯性器件的测试精度，因 此 国 内 只 有 天 文 寻 北 与 陀螺全站仪 2 种寻北方法，寻 北 工 作 一 般 是 由 国 内 具 有测绘资质的专业机构完成。结合实验室转台工作 需求以及学校持有的国家测绘资质与陀螺全站仪设 备，自主开展三轴惯性测试转 台 的 北 向 基 准 测 定 工 作 并利用实验室现有光纤陀螺惯导系统对北向夹角的 测取精度给予实验验证。
（ 5）
图 2 陀螺全站仪与基准镜的相对位置 Fig． 2 The relative position of the gyro total station
and reference mirror 采用相同的操 作 方 法，将 陀 螺 全 站 仪 置 于 基 准 镜 正 对方向（ 见图 2 ） ，求 得 第 1 次 陀 螺 方 位 角 at（ 引 1） =
实验室内基准镜法线坐标方位角的求取。
如图 1 所示，定义精密导线边 G54 G24 的地理方位角 为 A0 ，在 G54 点安置陀螺全站仪，通过陀螺运转和观测求 出 G54 G24 边的陀螺方位角 at ，利用式（ 1） 完成仪器常数 Δ 的求取：
Δ = A0 － at
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（ 1）
式中： 根 据 地 面 精 密 导 线 边 G54 G24 求 取 的 坐 标 方 位 角