船載測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正方法研究*

包 飛,倪 興,鐘德安,劉 揚(yáng)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰 214431)

船載測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正方法研究*

包 飛,倪 興,鐘德安,劉 揚(yáng)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰 214431)

船載無(wú)線電測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校時(shí),幾套測(cè)量設(shè)備指向固定目標(biāo)所測(cè)得的俯仰指向角度經(jīng)修正后與大地測(cè)量所得角度存在約20″到30″的誤差。多次檢測(cè)后表明:該問(wèn)題主要由設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差導(dǎo)致。因此對(duì)傳統(tǒng)的軸角編碼器精度的檢測(cè)方法提出了新要求,增加了檢測(cè)密度和范圍,并擬合出了編碼器誤差修正公式。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)算,該方法比以往的修正方法效果更好,該測(cè)量設(shè)備的俯仰測(cè)角總精度在原來(lái)的基礎(chǔ)提高了約15″。

軸角編碼器;誤差修正;精度檢測(cè)

0 引言

軸角編碼器是測(cè)量設(shè)備重要的測(cè)角部件。設(shè)備角度測(cè)量是由軸角編碼器來(lái)完成的,其基本功能是把天線各軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角變?yōu)閿?shù)字量的角度數(shù)據(jù)輸出[1]。影響軸角編碼器精度的因素很多,主要包括碼盤加工精度、旋轉(zhuǎn)變壓器的軸與天線機(jī)械軸間的耦合精度及同心度、傳感器電路引起的誤差、數(shù)碼讀出電路引起的誤差等。

船載測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校時(shí),幾套測(cè)量設(shè)備指向固定目標(biāo)所測(cè)得的俯仰指向角度經(jīng)修正后仍與大地測(cè)量所得角度存在約20″到30″的誤差。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),設(shè)備俯仰軸角編碼器雖然總的精度滿足要求,但是在具體角度上,其精度遠(yuǎn)低于要求,導(dǎo)致設(shè)備的瞬時(shí)測(cè)量值誤差較大。基于此,文中以俯仰軸角編碼器為例,提出了新的軸角編碼器誤差修正方法。

1 軸角編碼器基本情況介紹

軸角編碼器主要分為直接角度編碼器和間接角度編碼器兩種。直接角度編碼器將天線軸的角位移直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度數(shù)據(jù),可分為直讀式碼盤(如接觸式碼盤或光電碼盤[2])和“增量積累”的增量碼盤。間接角度編碼器是先將天線機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角通過(guò)傳感器(如電位器)變?yōu)檫B續(xù)的物理量(電壓、時(shí)間間隔),然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度數(shù)據(jù)。

船載測(cè)量設(shè)備軸角編碼器采用使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度位移傳感器的軸角編碼器,并采用套軸式聯(lián)接來(lái)提高旋轉(zhuǎn)變壓器軸和天線機(jī)械軸間的耦合精度。

2 船載無(wú)線電測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用方法

船載測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用的方法主要分為兩步:第一步先檢測(cè)編碼器精度,若精度滿足指標(biāo)要求(一般要求軸角編碼器精度比測(cè)量設(shè)備總精度高3～10倍[3]),則設(shè)備測(cè)角誤差可不進(jìn)行編碼器誤差的修正;第二步,若編碼器精度不滿足指標(biāo)要求,則通過(guò)殘差擬合進(jìn)行誤差修正。

2.1 軸角編碼器精度檢測(cè)方法

對(duì)軸角編碼器精度檢測(cè)主要采用與高精度測(cè)角儀器直接比對(duì)的方法,具體檢測(cè)方法見參考文獻(xiàn)[4]。以俯仰軸角編碼器精度檢測(cè)為例,采用重力感應(yīng)角擺儀檢測(cè)其精度包括以下步驟:

1)將角擺儀安裝在測(cè)量設(shè)備俯仰旋轉(zhuǎn)中心;

2)將天線指向俯仰為0°左右的位置,設(shè)置間隔參數(shù)為10°并清角擺儀初始讀數(shù)為0°;

3)從下往上轉(zhuǎn)動(dòng)天線進(jìn)行上測(cè),每轉(zhuǎn)動(dòng)10°左右停轉(zhuǎn),并記錄角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci直到90°;上測(cè)結(jié)束后進(jìn)行下測(cè),將天線從俯仰90°左右位置向下轉(zhuǎn)動(dòng)天線,每轉(zhuǎn)動(dòng)10°左右停轉(zhuǎn),并記錄角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci直到0°;

4)按下式計(jì)算俯仰編碼器精度:

(1)

ΔEi=(Eci-Eji)-Σ(Eci-Eji)/n

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:n為測(cè)試的點(diǎn)數(shù);ΔEi為第i次上測(cè)或下測(cè)時(shí)俯仰軸角編碼器讀數(shù)與測(cè)角儀讀數(shù)之差的殘差;σ為俯仰軸角編碼器的上測(cè)或下測(cè)的均方根誤差;Δ為上測(cè)與下測(cè)回差;δ為編碼器精度。

2.2 軸角編碼器誤差修正現(xiàn)用方法

軸角編碼器誤差的殘差擬合修正方法見參考文獻(xiàn)[5]。

3 船載測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正改進(jìn)方法

3.1 方法原理概述

從多次的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果看,編碼器精度并不能完全反映編碼器誤差對(duì)設(shè)備測(cè)量誤差的影響,在某些角度上編碼器誤差可超過(guò)精度3倍以上,極大的影響了測(cè)量設(shè)備的測(cè)角值。為解決該問(wèn)題,對(duì)原來(lái)的方法做了相關(guān)改進(jìn):

1)不再以軸角編碼器精度是否滿足要求作為誤差修正的先決條件;

2)提高檢測(cè)點(diǎn)密度,盡可能得到最真實(shí)的各個(gè)角度值上的實(shí)測(cè)誤差值;

3)使用具體角度值上的實(shí)測(cè)誤差值作為數(shù)據(jù)源擬合出角度測(cè)量值修正公式,直接對(duì)角度測(cè)量值進(jìn)行修正而不是對(duì)最后的總測(cè)角精度進(jìn)行修正,減少了中間環(huán)節(jié)誤差。

3.2 軸角編碼器誤差修正改進(jìn)方法

3.2.1 誤差修正數(shù)據(jù)獲取

以俯仰軸角編碼器為例,采用3.1節(jié)中的方法,改變檢測(cè)點(diǎn)密度和角度范圍后得到角擺儀讀數(shù)Eji與設(shè)備俯仰編碼器讀數(shù)Eci。依據(jù)檢測(cè)點(diǎn)密度與角度范圍的不同,得到3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):第一組為間隔5°一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),角度范圍為0°～180°,如表1;第二組為間隔1°一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),角度范圍為0°～90°,如表2;第三組為間隔0.3°一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),角度范圍為0°～6°,如表3。

表1 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測(cè)數(shù)據(jù)(5°間隔)

表2 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測(cè)數(shù)據(jù)(1°間隔)

表3 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器檢測(cè)數(shù)據(jù)(0.3°間隔)

3.2.2 誤差修正方法改進(jìn)

將表1、表2、表3中的數(shù)據(jù)使用式(6)進(jìn)行處理以得到對(duì)應(yīng)的角度誤差值。

ΔEgi=(Eci-Eji)-(Ec1-Ej1)

(6)

式中:ΔEgi為俯仰軸角編碼器值誤差,即修正初始零值后的第i次上測(cè)或下測(cè)時(shí)俯仰軸角編碼器讀數(shù)與角擺儀讀數(shù)之差;Ec1為第1次上測(cè)或下測(cè)時(shí)俯仰軸角編碼器讀數(shù);Ej1為第1次上測(cè)或下測(cè)時(shí)角擺儀讀數(shù)。

表1數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示,表2數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表5所示,表3數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表6所示。

表4 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(5°間隔)

表5 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(1°間隔)

表6 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差處理結(jié)果(0.3°間隔)

表4數(shù)據(jù)如圖1所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點(diǎn)所標(biāo)數(shù)值為俯仰角度值。

圖1 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(5°間隔)

表5數(shù)據(jù)如圖2所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點(diǎn)所標(biāo)數(shù)值為俯仰角度值。

圖2 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(1°間隔)

表6數(shù)據(jù)如圖3所示,圖中X軸為編碼器俯仰角度值,Y軸為ΔEgi,曲線上各點(diǎn)所標(biāo)數(shù)值為俯仰角度值。

圖3 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差曲線(0.3°間隔)

3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果:第一組數(shù)據(jù)所得角度值誤差近似峰峰值約35″,周期約為25°的余弦或正弦函數(shù);第二組數(shù)據(jù)所得瞬時(shí)值誤差近似峰峰值約30″,周期約為2.812 5°的余弦或正弦函數(shù);第三組數(shù)據(jù)所得瞬時(shí)值誤差近似峰峰值約30″,周期約為2.7°的余弦或正弦函數(shù)。

經(jīng)分析比較,第一組數(shù)據(jù)由于檢測(cè)間隔較大,誤差曲線不能完整反映編碼器誤差分布情況,但檢測(cè)角度范圍完整,偏心誤差可較明顯的反映出來(lái);第二組數(shù)據(jù)與第三組數(shù)據(jù)基本吻合,認(rèn)為較真實(shí)的反應(yīng)編碼器誤差分布情況,但所測(cè)角度范圍較窄,因此,對(duì)誤差曲線進(jìn)行擬合時(shí)需結(jié)合第一組數(shù)據(jù)。

綜合3組誤差曲線數(shù)據(jù)分布規(guī)律,擬合可得該編碼器角度誤差近似公式:

ΔEg=-15sin(128Ec-90°)+0.08Ec-15

(7)

式中:Ec為編碼器讀數(shù),單位為(°);ΔEg為編碼器瞬時(shí)值誤差參數(shù),單位為(″)。

3.3 軸角編碼器誤差修正改進(jìn)方法的效果驗(yàn)證

將該設(shè)備執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)的俯仰角測(cè)量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,經(jīng)式(7)修正后重新進(jìn)行測(cè)量精度處理,并與原來(lái)的精度處理結(jié)果做比較。

下面給出4個(gè)進(jìn)入的任務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證情況,如表7所示:設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)模式下2個(gè)進(jìn)入的殘差均值分別變小了15.6″和14.9″,殘差均方根值分別變小了0.3″和變大了2.5″;擴(kuò)頻模式下2個(gè)進(jìn)入的殘差均值分別變小了16.3″和12.5″,殘差均方根值分別變小了4.8″和4.7″。

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果看,設(shè)備的俯仰系統(tǒng)誤差的殘差均值和隨機(jī)誤差的殘差均方根值均得到改善,設(shè)備俯仰角測(cè)角總精度較以往提高了約15″,軸角編碼器誤差修正效果較好。

表7 ××設(shè)備俯仰軸角編碼器誤差修正驗(yàn)算情況

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線電測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差對(duì)設(shè)備的測(cè)量精度有著直接影響,通過(guò)實(shí)測(cè)軸角編碼器在各角度值上的誤差并進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,得到了誤差與角度值的關(guān)系公式,經(jīng)任務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,使用該公式進(jìn)行軸角編碼器誤差修正后設(shè)備測(cè)量總精度較以往得到明顯提高。但該方法還存在一定的局限性,所得的誤差公式是由實(shí)測(cè)誤差值擬合而來(lái),因此不同的軸角編碼器其誤差公式不同,即誤差公式不能通用。

[1] 趙業(yè)福, 李進(jìn)華. 無(wú)線電跟蹤測(cè)量系統(tǒng) [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2001: 98.

[2] 羅世魁, 王國(guó)強(qiáng), 王繼新, 等. 偽隨機(jī)碼在絕對(duì)式光電軸角編碼器中的應(yīng)用 [J]. 光學(xué)精密工程, 2003, 11(6): 596-601.

[3] 江文達(dá), 陳道桂. 航天測(cè)量船 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002: 36-38.

[4] 鐘德安. 航天測(cè)量船測(cè)控通信設(shè)備標(biāo)校與校飛技術(shù) [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009: 99-100.

[5] 鐘德安, 包飛, 張同雙, 等. 測(cè)量設(shè)備軸角編碼器誤差修正研究 [J]. 無(wú)線電工程, 2012, 42(9): 51-53.

Research on Error Correction in Axial Angle Encoder of Ship-borne Measuring Equipments

BAO Fei,NI Xing,ZHONG De’an,LIU Yang

(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangsu Jiangyin 214431, China)

When ship-borne wireless measuring devices are measuring and calibrating, they have 20″ to 30″ error value between the angle values got by measuring devices and that got by the earth measuring. According to tests, the problem is mainly caused by the error of axis angle encoder. So, new requirements were made for detection method of the axial angle encoder, detection density and scope increased, and correction formula of the encoder error was fit. After the test checking, the effect is better than the previous methods, the total accuracy of the measuring equipment has been improved by about 15″.

axial angle encoder; error correction; precision detection

2015-10-12

包飛(1981-),男,江蘇淮安人,工程師,碩士,研究方向:標(biāo)校、校飛。

V557

A