一種小型艦船的航向姿態測量系統

中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 詹金晶

?

一種小型艦船的航向姿態測量系統

中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 詹金晶

【摘要】設計了一種用于小型艦船的航向姿態測量系統。該系統對陀螺羅經的航向數據和姿態傳感器的橫滾、俯仰數據進行實時處理，能為小型艦船提供高精度的航姿信息，且系統體積小，易于安裝。經過調試和試驗，該測量系統已得到成功應用。

【關鍵詞】航向；姿態；測量

0 引言

航向和姿態信息（包括橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率）在艦船航行過程中實時變化，其對操船控制和武器裝備使用的精確性有重要影響。因此，需要對艦船的航向和姿態進行實時測量并發送到艦船控制系統，以進行控制修正和參數補償，保障艦船的可靠航行和裝備的使用效能。

對大中型艦船，航向和姿態數據一般都是通過平臺羅經給出，但平臺羅經的體積和重量大、費用昂貴，不宜在小型艦艇上使用。小型艦船上一般安裝陀螺羅經，利用陀螺儀的定軸性和進動性，為艦船提供真北基準，實時測量艦船的航向值，由姿態傳感器完成艦船姿態信息的實時測量。姿態傳感器由三軸陀螺儀和三只加速度計組成，其體積小，精度高，滿足小型艦船的性能要求。

為了減少數據接口，提高各控制設備航姿數據的一致性，本文將陀螺羅經測量的航向值和姿態傳感器測量的姿態數據融合為一路數據，同時為小型艦船上各控制設備提供航姿信息。

1 系統組成

該測量小型艦船航姿信息的系統，包括陀螺羅經、姿態傳感器和數據處理模塊。

陀螺羅經完成艦船航向的實時測量，具有自動找北的功能，在理想狀態，它自動穩定在子午面內。因此，它可以測量艦船相對北向的方位或指示艦船運動的航向。陀螺羅經采用陀螺儀為敏感器件，根據角速度解算出航向信息，并轉換為RS422A接口輸出。陀螺羅經包括主羅經和航向發送箱。

姿態傳感器完成艦船姿態信息的實時測量，包括艦船橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。姿態傳感器由三軸硅微陀螺儀和三只石英振梁加速度計組成，其體積小，精度高，適用于小型艦船。

數據處理模塊完成航向數據和姿態數據的融合，主要包括姿態傳感器初始化、航向數據解析、姿態數據解析、航姿數據融合、更新率設置、數據發送等，由軟硬件配合完成。本文主要介紹數據處理模塊的實現。

圖1 系統組成

2 數據處理模塊

數據處理模塊通過RS232C接口發送配置信息到姿態傳感器，完成對姿態傳感器工作模式、數據更新率等參數的初始化，接收到姿態傳感器初始化成功的消息后開始接收姿態數據，解析讀取傳感器狀態、橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。同時，該模塊通過RS422A接口接收來自陀螺羅經的航向數據，解析提取設備工作狀態、航向值、航向變化率等信息。解析的航向和姿態數據按照NMEA0183協議的格式進行組合，同時根據更新率配置要求，該模塊定時將航姿數據通過RS422A接口發送出去。

2.1 硬件組成

數據處理模塊硬件由接口電路、控制處理電路和電壓轉換電路組成。控制處理電路由C51單片機及其附屬電路組成，主要功能由灌裝在單片機內的軟件實現。根據人工跳線或開關狀態對姿態傳感器和數據處理模塊參數進行配置，接收并解析航向數據和姿態數據，進行航姿數據融合后將該數據發送到接口電路。

接口電路使用了ST16C554芯片作為C51單片機的串口擴展芯片，實現4路串口通信。這4路串口通信可獨立控制發送和接收，具有可編程的串行數據發送格式。ST16C554與C51單片機之間的接口包括：D0-D7雙向8位數據線，A0-A2片內寄存器選擇信號，A8-A11片選信號，INTA-INTD串行口中斷輸出信號及WR、RD讀寫信號。

圖2 RS422A電路

ST16C554芯片擴展的4路串口與MAX1490芯片連接，實現TTL電平與RS422A電平之間的接口轉換，如圖2所示。C51單片機自身的UART串行接口與MAX232芯片連接，實現TTL電平與RS232C電平之間的接口轉換。1路RS422A接口完成控制處理電路與陀螺羅經的數據傳輸，3路RS422A接口完成航姿數據的輸出，1路RS232C接口完成控制處理電路與姿態傳感器的數據傳輸。

電壓轉換電路完成輸入電壓+24V到模塊上各芯片所需電壓+12V、+5V和+3.3V的轉換，由開關電源芯片和電容、電阻、電感等元器件組成。在電壓轉換電路的PCB設計中，電源芯片與電容、電感的連接必須盡可能近，以減小輸出電壓的波動。

2.2 軟件實現

2.2.1 軟件功能

數據處理模塊軟件實現姿態傳感器配置功能、姿態數據采集功能、航向數據采集功能、航向姿態數據融合功能以及串口通信功能。

數據處理模塊軟件通過讀取硬件跳線設置，由RS232C串口配置姿態傳感器的工作參數。該系統中不采用姿態傳感器的航向值，所以配置報文中序號3-序號7的內容都填0。

數據處理模塊軟件在完成姿態傳感器配置后，通過RS232C串口采集姿態傳感器的姿態數據，通過RS422A串口采集羅經的航向數據。數據處理模塊軟件完成姿態數據或航向數據采集后，進行航向姿態數據處理，包括姿態數據的解析、計算和格式轉換。航向姿態數據處理完成后，將融合后的航姿數據通過串口輸出。

2.2.2 軟件處理流程

控制處理電路內軟件處理流程如圖3所示。

系統上電后，軟件讀入姿態傳感器和系統配置參數，通過RS232C接口對姿態傳感器的工作方式和更新率參數進行配置，對系統輸出航姿數據的更新率進行配置。

姿態傳感器發送的第一幀數據為返回的配置文件，系統不作處理，在第一幀數據之后，系統通過兩個串口分別接收姿態數據和航向數據。首先根據是否連續接收到兩個起始標志“$” 來判斷姿態數據是否收齊，若已經收齊，則計算接收數據的校驗碼，并與接收數據中傳輸的校驗碼進行比較，若一致，則接收數據無誤，開始解析提取姿態數據中的傳感器狀態、橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等信息。

若姿態數據未收齊，或姿態數據有誤，或姿態數據已正確解析，則根據是否連續接收到兩個起始標志“$”判斷航向數據是否收齊。若航向數據未收齊，或航向數據有誤，則繼續接收航向數據，并進行判斷。若已收齊，則計算接收數據的校驗和，并與接收數據中的校驗碼對比，若一致，則對航向數據進行解析提取出工作狀態和航向值。

若航向數據已正確解析，則將橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度、俯仰角速率及航向數據進行融合，并計算校驗碼，組成一幀完整的航姿數據。根據系統更新率配置參數，設置定時器時長，在定時達到時將航姿數據通過串口發送出去。在整個處理流程中，雖然先對姿態數據進行采集解析，但其狀態不影響航向數據的處理。但是，若未收到有效的航向數據，則系統不輸出航姿數據。在航姿數據中，需要在相應的有效狀態位對姿態和航向數據的實際狀態進行標識。

圖3 數據處理流程

2.3 系統調試

為了測試系統在各種不同狀態下的輸出，由計算機串口模擬輸出陀螺羅經的航向數據，分別測試羅經未穩定狀態、穩定狀態、航向數據不完整、航向數據校驗碼錯誤等不同情況下航姿數據的輸出狀況。姿態傳感器直接接入到系統，改變姿態傳感器的橫滾角度和俯仰角度，觀察航姿數據是否正確。

經過調試，數據處理模塊能正確解析和融合姿態數據及航向數據。經過與陀螺羅經、姿態傳感器的聯合調試，系統工作正常。

3 結束語

本文實現了由陀螺羅經、姿態傳感器和數據處理模塊組成的小型艦船航姿測量系統，該系統體積小、精度高，經過調試和試驗，能滿足小型艦船對航姿數據測量的要求，具有實際應用意義。

參考文獻

[1]孫慶祥,金炳哲,孟巍,臧義華.SGB1000型陀螺羅經接口設計與實現[J].應用科技,2007, 34(4):36-38.

[2]李眾,高鍵,李彥.基于單片機技術的數字電羅經系統[J].華東船舶工業學院學報,2000, 14[5]:27-31.