數字方位儀設計與實現＊

朱道宗 范 鄒

（海軍駐九江地區軍事代表室 九江 332007）

1 引言

光學方位儀和方位分羅經［1］是艦船導航系統［2］必配的設備，兩者聯合使用來測定目標（或天體）的方位或舷角，可用來標校磁羅經［3］、平臺羅經［4］、電羅經和計程儀［6］等。由于方位分羅經體積大、重量重，又不易拆卸，在潛艇上使用還必須加裝水密套筒，既占空間，使用起來也不太方便。為此設計一型艦艇用數字方位儀，將光學方位儀和方位分羅經合二為一，在保持原功能不變的前提下，力求便于使用、攜帶和裝卸。

2 主要工作原理

目標舷角的生成：定圈與艦艇艏艉線固連，零位方向與艦艇艏艉線平行，動圈與望遠鏡固連，這樣望遠鏡轉向目標時，將帶動舷角發生器轉動，形成舷角α并顯示。

接受來自羅經或慣導航向數字信號K并顯示，與舷角α相加后得到目標方位角β并顯示。

當望遠鏡目標瞄準線對準目標時，觀測者按動鎖定按鈕，其航向K、方位角β即暫時鎖定在顯示屏上。再次按動鎖定按鈕，恢復正常航向和舷角顯示。

3 硬件設計

數字方位儀主要由望遠鏡、數字處理電路和安裝支架等組成。

3.1 望遠鏡設計

望遠鏡是由物鏡、濾光片、斯密特棱鏡、分劃板和目鏡組成。水準器通過顯微物鏡成像在物鏡的分劃板上，通過目鏡能在同一視場內觀察到。物鏡是由雙膠合鏡片組成。濾光片是由暗色、藍色、橙色、無色濾光片組成。為了觀察方便，光路內加了斯密特屋脊鏡，使光路能向上折轉45°，且所成的像為正像。為了能清晰的看清目標，目鏡采用對稱式結構；為了適應不同屈光度的觀察者，目鏡上有視度調節機構。為了在望遠目鏡的視場內清晰地觀察到水準器的情況，在分劃板的下方安裝水準器、顯微物鏡、半五角屋脊棱鏡、發光二極管，使水準器的像清淅地成在望遠目鏡的分劃板上。水準器與豎軸成垂直安裝。為了滿足視角要求，在望遠物鏡前方安裝帶有反光鏡的支架，支架前端有兩片平行的鏡片，一片為銀白色，一片為黑色，旋轉反光鏡的手輪，可以使反光鏡轉動。反光鏡的高低位置可以通過反光鏡支架進行移動，使在0°～40°范圍的目標進入視場。

3.2 數字處理電路設計

數字方位儀電氣工作原理框圖如圖1所示。

圖1 數字方位儀電氣工作原理框圖

微處理器采用微芯公司的PIC16F系列的芯片，該類芯片內置多通道10位A／D轉換器，可方便地應用于光柵信號細分處理上，同時省去外置A／D轉換器以簡化電路，以縮小電路板面積。

精密光柵盤輸出4路相位差90°的正弦波信號，該信號經整形電路整形成方波送至微處理器，進行四細分計數。同時也將正弦信號送至微處理器，用片內A／D轉換器將正弦信號轉換為數字量后，對數值進行分析并進一步細分，將細分數據與四細分計數值相結合就可以得到高精度的轉角位置數值。通過預定義起始點（在艏艉線上）就可以得到需要的舷角，最后和接收到的航向做運算就可以得到最終需要的方位角數據，由熒光顯示器顯示。舷角發生器艏艉線清零采用左右舷分別清零辦法。即數字方位儀在艦上安裝后，方位儀瞄準艦艏標竿，若方位儀在左舷，按左校零鍵，若方位儀在右舷，按右校零鍵（注意：每次安裝使用，必須首先校零）。鎖定按鈕設在儀器的后上方，以方便操作。

電源部分采用開關電源工作方式的小功率DC／DC直流轉換模塊電源，比老式的線性穩壓器效率高，發熱少，且具有電源隔離效果，提高整體電路抗干擾的能力。

顯示器為真空熒光顯示器，具有對比度高，工作溫度寬的特點，比普通的液晶顯示器更容易觀察和讀數。

3.3 安裝支架設計

數字方位儀外形結構圖見圖2，數字方位儀安裝底座圖3。安裝支架的結構是采用萬向節的原理，實現數字方位儀可方便調整為水平測量狀態。安裝支架由底座、固定板、十字聯軸節、活接、彈簧等組成。底座固定在艦艇的甲板上，安裝時用方位儀固定板上的凹面與艦艇上底座的凸面套合，擰緊左右緊固螺釘即可，拆裝非常方便，可實現方位儀拆裝小于60s的要求。

圖2 數圖字方位儀外形結構圖

圖3 數字方位儀安裝底座圖

4 軟件設計

簡要程序框圖如圖4所示。它不包含具體的子程序只是簡要說明主程序的工作流程。當航向接收超時時，只顯示錯誤提示，不顯示其他內容，航向數據恢復正常后回到正常顯示界面。方位角鎖定后提示HOLD。

5 安裝及使用

5.1 底座的安裝

將底座焊接（或3-M8螺釘固定）在艇面上，焊接時可不考慮艦船艏艉線。

5.2 數字方位儀的安裝

圖4 簡要程序框圖

將數字方位儀從保存箱中取出，去掉外罩，安裝時按照方位儀下面緊固螺釘的方向把方位儀固定板凹面與艦艇上底座的凸面套合，擰緊左右緊固螺釘即可，拆裝非常方便。

5.3 數字方位儀的使用

數字方位儀在艦上安裝好后，若在左舷，首先使方位儀水平對準艦艏標竿，按左清零按鈕后，即可轉入正常使用。方位儀瞄準目標后按動鎖定按鈕，目標方位即鎖定在顯示屏上，并有方位角鎖定提示符HOLD。再次按動鎖定按鈕，轉入正常顯示航向及舷角，HOLD提示符消失。

5.4 數字方位儀的拆卸

數字方位儀使用結束后，應及時拆下，放入保存箱。拆卸方法為：一手扶牢方位儀，另一手將方位儀緊固螺釘松開，即可卸下方位儀，放入保管箱。

6 結語

數字方位儀將光學方位儀和方位分羅經的功能結合在一起，具有重量輕、裝卸快捷、操作簡單、方便攜帶的優點，特別適合于潛艇使用；在水面艦船上使用，由于不需長期安裝在艙外，避免了日曬雨淋、需要經常保養維修的問題。總之，數字方位儀是一種值得推廣使用的導航儀器。

［1］船舶配套設備選用手冊［M］.江蘇船舶雜志社，1998

［2］周永余，徐江寧，高敬東.艦船導航系統［M］.北京：國防工業出版社，2006

［3］楊興民.“相互方位對測法”校正磁羅經［J］.天津航海，1990（3）

［4］孔德強，等.艦船平臺羅經航向誤差的標校［J］.中國航海，2009（1）

［5］徐欣.無線網絡導航服務系統的設計與實現［J］.計算機與數字工程，2008，36（12）

［6］鄭梓禎，蔡迎波，等.艦船導航系統試驗與鑒定［M］.北京：國防工業出版社，2005