基于慣性/地磁組合技術(shù)的全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀的研制*

夏桂鎖，于潤(rùn)橋，程強(qiáng)強(qiáng)，程?hào)|方

(南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，快速反應(yīng)、精確打擊是克敵制勝的關(guān)鍵因素。然而要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位，就需要利用定位儀器。GPS等依靠外界的定位方式雖然方便快捷，但由于定位測(cè)量依賴于GPS衛(wèi)星，至今它仍然由美國(guó)軍方控制，所以在自主定位方面存在很大劣勢(shì)。在軍事方面應(yīng)用較多的是機(jī)械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)等自主方式的定向系統(tǒng)［1－2］。

陀螺尋北技術(shù)是一種自主式定位技術(shù)。基于陀螺尋北技術(shù)的陀螺尋北儀(也稱指北儀，或陀螺經(jīng)緯儀)是一種不受磁場(chǎng)干擾的指北儀器［3］。它利用陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，即陀螺靈敏部在本身重力和地球自轉(zhuǎn)的組合作用下，使陀螺軸精確地指示出子午線真北方向，從而可以自主精確地指示地面、地下巷道或隧道任意測(cè)點(diǎn)的地理方位，是軍事瞄準(zhǔn)中用以定向和確定方位角的主要儀器［4］。

陀螺經(jīng)緯儀的定向精度要比陀螺羅經(jīng)和磁羅盤高許多倍，可以達(dá)到角秒級(jí)精度，在測(cè)量時(shí)間上，又要比天文法或陀螺羅經(jīng)快許多倍;在軍事方面，它可以解決導(dǎo)彈定位定向車、運(yùn)載車、遠(yuǎn)程炮的快速定位定向與再定向;可以解決航母、艦船、潛艇的魚雷、導(dǎo)彈發(fā)射、雷達(dá)系統(tǒng)的安裝與標(biāo)定問(wèn)題［5］;可以為靶場(chǎng)做精確定向，也可以為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供可靠的初始方位角度。

目前國(guó)內(nèi)陀螺經(jīng)緯儀精度一般在10″～30″，而且基本都是人工操作。對(duì)操作人員的要求較高，測(cè)量過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，迫切需要實(shí)現(xiàn)儀器操作的自動(dòng)化［6－7］。德國(guó)、美國(guó)和俄羅斯生產(chǎn)精度優(yōu)于±5″的儀器，不但價(jià)格高昂(180～230萬(wàn)元/臺(tái))，而且由于其軍事用途大，美對(duì)華禁運(yùn)。為了打破該項(xiàng)技術(shù)國(guó)外對(duì)我國(guó)的封鎖，要求我國(guó)研制自己的高精度全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，以滿足我國(guó)在定位定向技術(shù)方面的需要。

1 陀螺尋北原理

本文所研究的JT－15陀螺儀為一種擺式陀螺尋北儀，其中陀螺儀尋北的核心部件為雙自由度陀螺。圖1(a)是懸掛在地球表面某處的陀螺示意圖。由于地球不斷地由西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)慣性空間來(lái)說(shuō)，懸掛陀螺儀地點(diǎn)的重力方向不斷改變，而陀螺儀靈敏部系統(tǒng)的重心又在懸掛點(diǎn)之下，重力將迫使陀螺軸維持在水平方向，相當(dāng)于有外力不斷地翻倒陀螺，這樣總有一個(gè)指向北方向的外力矩(重力矩)作用在陀螺上，陀螺的動(dòng)量矩按最小夾角方向朝外力矩方向進(jìn)動(dòng)，陀螺軸就尋北了。當(dāng)陀螺軸進(jìn)動(dòng)到真北時(shí)，陀螺動(dòng)量矩與重力矩重合，似乎應(yīng)該停止運(yùn)動(dòng)，但由于慣性作用，整個(gè)陀螺儀靈敏部還停不下來(lái)，然后由于空氣阻力、懸?guī)ぞ氐茸饔茫揭欢ㄎ恢猛Ｏ聛?lái)，再重復(fù)前述之運(yùn)動(dòng)，結(jié)果形成一個(gè)圍繞地軸(真北)的往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)中心就是真北方向。陀螺經(jīng)緯儀就是用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)通過(guò)觀測(cè)陀螺擺動(dòng)來(lái)測(cè)定地球真北方向的。

圖1 陀螺尋北原理圖

由JT－15陀螺儀尋北的理論模型，機(jī)械陀螺無(wú)阻尼擺動(dòng)周期為

m為靈敏部質(zhì)量，g為重力加速度，l為傾心高，HG為轉(zhuǎn)角動(dòng)量，ω1E為地球自轉(zhuǎn)角速度，72.921 1×10－6rad/s，φ為地理緯度。

在其他參數(shù)一定時(shí)，擺動(dòng)周期與地理緯度φ有關(guān)，緯度高周期長(zhǎng)，緯度低周期短。

根據(jù)以上陀螺儀尋北的理論公式，結(jié)合JT－15陀螺儀的相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算陀螺擺動(dòng)理論值。根據(jù)相關(guān)資料，JT－15陀螺儀自轉(zhuǎn)角動(dòng)量 HG=0.392 kg·m2/s;陀螺靈敏部質(zhì)量 m=0.85 kg;傾心高 l=0.15 m;重力加速度按照 9.806 65 m/s2計(jì)算。在北緯28.5°附近，計(jì)算得陀螺的理論擺動(dòng)周期為

由于儀器的差異性，每臺(tái)儀器的周期會(huì)有小幅差異，并隨緯度變化。

陀螺儀是無(wú)法獨(dú)立向外界表征北向的，它必須借助經(jīng)緯儀(或者全站儀)實(shí)現(xiàn)定向及測(cè)角功能。如圖1(b)所示。

2 陀螺經(jīng)緯儀數(shù)字化測(cè)量子系統(tǒng)

改進(jìn)陀螺經(jīng)緯儀原有的光路系統(tǒng)，利用CCD取代人眼，實(shí)現(xiàn)陀螺儀光標(biāo)信號(hào)的自動(dòng)采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后由DSP處理器進(jìn)行處理和尋北計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。選擇TCD1501D型CCD芯片，結(jié)合現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)，利用EPM7064SLC44－10型復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD完成CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。并且根據(jù)原有JT－15型陀螺經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)CCD采集模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選用TMS320F206型DSP處理器芯片，構(gòu)建了陀螺經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的軟硬件系統(tǒng)。完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和處理軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)了陀螺經(jīng)緯儀信號(hào)采集和尋北計(jì)算的數(shù)字化［8］。本系統(tǒng)中包括電路設(shè)計(jì)及模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集及處理系統(tǒng)原理圖

3 自動(dòng)初尋北子系統(tǒng)

機(jī)械陀螺尋北過(guò)程中，初、精尋北所占用的時(shí)間比例大致是對(duì)等的。為了保證尋北的精度，精尋北的時(shí)間不宜太短，于是提高尋北效率就要從初尋北方式上著手。在各種尋北方式中，利用地磁尋北具有時(shí)間短、成本低、精度高(0.5°以內(nèi))的特點(diǎn)。因此該子系統(tǒng)選擇的尋北方式的原理為地磁尋北。

陀螺經(jīng)緯儀傳統(tǒng)的尋北過(guò)程為:首先利用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法初尋北，然后再利用中天法精尋北，兩種方法結(jié)合來(lái)完成整個(gè)尋北任務(wù)。本課題用到的JT－15型陀螺儀，尋北周期為8 min左右，加上初尋北，所需總尋北時(shí)間將達(dá)到25 min左右。用電子羅盤、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)初尋北自動(dòng)化的方法，可大大縮短尋北時(shí)間，降低尋北操作難度。自行設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)減速比為180:1的減速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)速度的細(xì)分。由DSP處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、電子羅盤形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，電子羅盤可得出陀螺經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部與真北方向的偏角作為反饋信號(hào)，DSP處理器采集反饋信號(hào)利用模糊控制算法進(jìn)行解算，根據(jù)解算結(jié)果通過(guò)用CPLD設(shè)計(jì)的控制模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)初尋北轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)往初北方向靠近，逐步逼近，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初尋北［9］。初尋北時(shí)間由原來(lái)的15 min～20 min提高到1 min～2 min，并保證了精尋北要求的北向精度［10］。

本系統(tǒng)所應(yīng)用的初尋北器件為美國(guó)KVH公司生產(chǎn)的C100電子(數(shù)字)羅盤，具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。它采用磁通門技術(shù)，定向精度可達(dá)到0.5°以內(nèi)，分辨率為 0.1°，通過(guò)其數(shù)字接口，可提供地球磁場(chǎng)X、Y軸的水平分量。初尋北轉(zhuǎn)臺(tái)方向和速度由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行，而步進(jìn)電機(jī)的控制及電子羅盤數(shù)據(jù)的采集由數(shù)字信號(hào)處理器DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD完成。

圖3 電子羅盤初尋北控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 陀螺靈敏部自動(dòng)升降子系統(tǒng)

本課題所用JT－15型陀螺經(jīng)緯儀是吊絲式陀螺儀，在進(jìn)行尋北觀測(cè)前需下放陀螺靈敏部，觀測(cè)反映靈敏部擺動(dòng)信息的光標(biāo)信號(hào)進(jìn)行尋北，要求操作平穩(wěn)，快慢適宜。傳統(tǒng)儀器都是人工進(jìn)行下放操作，對(duì)操作人員素質(zhì)要求比較高，一般需要進(jìn)行多次重復(fù)托放才能完成。

陀螺靈敏部自動(dòng)升降系統(tǒng)的原理圖如圖4所示，本系統(tǒng)旨在利用直線電機(jī)代替人工實(shí)現(xiàn)陀螺靈敏部自動(dòng)托起下放過(guò)程，由DSP處理器、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)、光電開(kāi)關(guān)及CCD形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，光電開(kāi)關(guān)作為直線電機(jī)運(yùn)行的限位器件，產(chǎn)生位置反饋信號(hào);同時(shí)CCD采集反映靈敏部運(yùn)動(dòng)的光標(biāo)信號(hào)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度反饋信號(hào)。DSP處理器采集反饋信號(hào)進(jìn)行解算，根據(jù)解算結(jié)果用CPLD設(shè)計(jì)的控制模塊來(lái)控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)［11］，同時(shí)用限位系統(tǒng)將電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置反饋給DSP處理模塊，從而控制電機(jī)的運(yùn)行與停止。反映陀螺儀靈敏部運(yùn)動(dòng)信息的光標(biāo)信號(hào)通過(guò)陀螺經(jīng)緯儀的光路系統(tǒng)成像，光標(biāo)像由CCD采集模塊接收，通過(guò)CCD的光電轉(zhuǎn)換，光標(biāo)信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉从彻鈴?qiáng)的電壓信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，然后DSP處理模塊對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。陀螺靈敏部下放以后，DSP處理器計(jì)算光標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)速度等信息，當(dāng)光標(biāo)晃動(dòng)過(guò)大或?qū)け睌[動(dòng)速度大于某一閾值時(shí)，DSP處理系統(tǒng)能夠處理儀器運(yùn)行中出現(xiàn)的異常，情況嚴(yán)重時(shí)報(bào)警。鍵盤輸入為人機(jī)接口模塊，通過(guò)對(duì)其控制可以實(shí)現(xiàn)所需的各種操作。

圖4 陀螺靈敏部自動(dòng)升降控制原理圖

5 基于DSP和CPLD的總體控制子系統(tǒng)

基于DSP和CPLD的總體控制系統(tǒng)原理如圖5所示。把全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)放置于測(cè)量地點(diǎn)，由人工手動(dòng)調(diào)平，系統(tǒng)上電自檢，自檢通過(guò)后電子羅盤開(kāi)始工作，測(cè)得的北方向信號(hào)輸入給數(shù)字信號(hào)處理器DSP，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果由復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊［12］驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，把陀螺經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部往大致北方向靠近，如此反復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)陀螺經(jīng)緯儀初尋北;陀螺經(jīng)緯儀在初北方向，啟動(dòng)陀螺靈敏部自動(dòng)托起下放裝置下放陀螺儀靈敏部，同時(shí)反映陀螺靈敏部運(yùn)動(dòng)信息的光標(biāo)信號(hào)通過(guò)陀螺經(jīng)緯儀的光路系統(tǒng)成像，光標(biāo)像由CCD采集模塊接收，通過(guò)CCD的光電轉(zhuǎn)換，光標(biāo)信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉从彻鈴?qiáng)的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，然后數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和尋北運(yùn)算，最后再把運(yùn)算結(jié)果送到顯示模塊。一次測(cè)量完成后陀螺靈敏部托起，等待下一次操作。鍵盤輸入為人機(jī)接口模塊，通過(guò)對(duì)其控制實(shí)現(xiàn)各種操作。

圖5 基于DSP和CPLD的總體控制系統(tǒng)原理圖

6 總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

本文探討了陀螺經(jīng)緯儀實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，并以JT－15陀螺儀為樣機(jī)，完成了全自動(dòng)儀器的實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)子系統(tǒng):

(1)陀螺經(jīng)緯儀數(shù)字化測(cè)量子系統(tǒng)。

(2)自動(dòng)初尋北子系統(tǒng)。

(3)陀螺靈敏部自動(dòng)升降子系統(tǒng)。

(4)基于DSP及CPLD的控制子系統(tǒng)。

各個(gè)子系統(tǒng)自成一體，相互獨(dú)立。為了實(shí)現(xiàn)陀螺經(jīng)緯儀尋北的全自動(dòng)化，必須要將各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，相互配合、協(xié)調(diào)工作。研究尋北關(guān)鍵技術(shù)的初期，各個(gè)子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中已經(jīng)考慮到了組合協(xié)作的問(wèn)題。總體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 總體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

利用全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀做如下陀螺尋北實(shí)驗(yàn)。①將陀螺經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部固定在任意一個(gè)朝向位置，做好調(diào)平、連線等準(zhǔn)備工作;②啟動(dòng)初尋北系統(tǒng)，開(kāi)始自動(dòng)初尋北，系統(tǒng)照準(zhǔn)部對(duì)準(zhǔn)初北方向;③在初北方向，啟動(dòng)陀螺，當(dāng)陀螺啟動(dòng)穩(wěn)定后自動(dòng)下放系統(tǒng)開(kāi)始工作，完成陀螺靈敏部自動(dòng)下放;④陀螺靈敏部下放完畢后，開(kāi)始精尋北;⑤系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成精尋北，并顯示尋北結(jié)果;⑥自動(dòng)托起陀螺，完成一次測(cè)量;⑦重復(fù)②～⑥。

研究陀螺經(jīng)緯儀的尋北方法的目的:一是為了提高尋北精度，再者是為了提高尋北速度。由陀螺經(jīng)緯儀尋北原理可知，陀螺儀靈敏部運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，CCD接收到的光標(biāo)信號(hào)的近似運(yùn)動(dòng)方程式為:

式中x為光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)位置，A為光標(biāo)的擺動(dòng)振幅，ω為光標(biāo)光標(biāo)運(yùn)動(dòng)角頻率，φ為光標(biāo)擺動(dòng)相對(duì)于真北方向的初相位，d為光標(biāo)擺動(dòng)中心與參考零點(diǎn)的偏移量。尋北測(cè)量的目的就是通過(guò)測(cè)定(t，x)值來(lái)確定近似正弦曲線的中心，得到光標(biāo)擺動(dòng)中心與參考零點(diǎn)的偏移量，從而推算出真北所在方位。

由于陀螺儀光標(biāo)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，決定了我們研究尋北測(cè)量方法而改進(jìn)尋北測(cè)量效率的可能。

在全自動(dòng)尋北儀中設(shè)置了三種精尋北方法，分別是傳統(tǒng)中天法、1/4周期中天法和實(shí)時(shí)中天法，用這三種尋北方法進(jìn)行全自動(dòng)總體尋北實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。棱鏡在此次實(shí)驗(yàn)中相當(dāng)于一個(gè)基準(zhǔn)。儀器每次尋北完成后對(duì)準(zhǔn)一次棱鏡，則每次儀器所測(cè)量的棱鏡與真北的夾角就可以反映儀器北值與真北的偏差情況。

表1 全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀尋北結(jié)果

儀器精度是在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得的，外界干擾比較小。尋北時(shí)間包括陀螺靈敏部下放時(shí)間、初尋北和精尋北時(shí)間總和。初始位置是指儀器照準(zhǔn)部偏離真北的任意一個(gè)位置，可能是180°、90°或其他度數(shù)。由表1可知，在實(shí)驗(yàn)室條件下，將儀器放于室內(nèi)任何朝向，從儀器開(kāi)始運(yùn)行到得出精確北向:當(dāng)采用傳統(tǒng)中天法時(shí)，最長(zhǎng)時(shí)間需要11 min，尋北精度為8.0″;當(dāng)采用1/4中天法時(shí)，最長(zhǎng)尋北時(shí)間為4 min，尋北精度為19.7″，實(shí)時(shí)中天法尋北時(shí)間最長(zhǎng)為10 min，尋北精度為7.7″。1/4周期中天法，在實(shí)驗(yàn)室的條件下可以精確確定T(陀螺周期)值，當(dāng)野外作業(yè)時(shí)，由于外界環(huán)境的干擾或者偏離T值測(cè)量點(diǎn)，儀器的實(shí)際精度都會(huì)有一定的下降。綜上，以JT－15陀螺儀為樣機(jī)，全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀尋北裝置的性能可概括為:當(dāng)尋北時(shí)間為11 min時(shí)，精度優(yōu)于8″(1σ);當(dāng)尋北時(shí)間為 4 min時(shí)，精度優(yōu)于20″(1σ)。

7 結(jié)論

本文首先介紹了陀螺經(jīng)緯儀的尋北原理，然后以DSP及CPLD為核心，介紹了陀螺經(jīng)緯儀數(shù)字化測(cè)量子系統(tǒng)、自動(dòng)初尋北子系統(tǒng)、陀螺靈敏部自動(dòng)升降子系統(tǒng)、基于DSP及CPLD的控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。通過(guò)總體系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一管理，最終實(shí)現(xiàn)了儀器的全自動(dòng)控制。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、精度高，能夠有效的提高機(jī)械陀螺儀的尋北效率。可以為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供可靠的初始方位角度，也是采礦等民用領(lǐng)域有效的定位儀器。該全自動(dòng)尋北系統(tǒng)大大降低了機(jī)械陀螺尋北的操作難度，有效的提高了尋北效率，為我國(guó)機(jī)械陀螺尋北技術(shù)的提升做出了自己的貢獻(xiàn)。

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