夏桂锁，于润桥，程强强，程东方

(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌330063)

现代战争中，快速反应、精确打击是克敌制胜的关键因素。然而要实现对目标的精确定位，就需要利用定位仪器。GPS等依靠外界的定位方式虽然方便快捷，但由于定位测量依赖于GPS卫星，至今它仍然由美国军方控制，所以在自主定位方面存在很大劣势。在军事方面应用较多的是机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、捷联惯导系统等自主方式的定向系统［1－2］。

陀螺寻北技术是一种自主式定位技术。基于陀螺寻北技术的陀螺寻北仪(也称指北仪，或陀螺经纬仪)是一种不受磁场干扰的指北仪器［3］。它利用陀螺的定轴性和进动性，即陀螺灵敏部在本身重力和地球自转的组合作用下，使陀螺轴精确地指示出子午线真北方向，从而可以自主精确地指示地面、地下巷道或隧道任意测点的地理方位，是军事瞄准中用以定向和确定方位角的主要仪器［4］。

陀螺经纬仪的定向精度要比陀螺罗经和磁罗盘高许多倍，可以达到角秒级精度，在测量时间上，又要比天文法或陀螺罗经快许多倍;在军事方面，它可以解决导弹定位定向车、运载车、远程炮的快速定位定向与再定向;可以解决航母、舰船、潜艇的鱼雷、导弹发射、雷达系统的安装与标定问题［5］;可以为靶场做精确定向，也可以为惯导系统提供可靠的初始方位角度。

目前国内陀螺经纬仪精度一般在10″～30″，而且基本都是人工操作。对操作人员的要求较高，测量过程中的劳动强度较大，迫切需要实现仪器操作的自动化［6－7］。德国、美国和俄罗斯生产精度优于±5″的仪器，不但价格高昂(180～230万元/台)，而且由于其军事用途大，美对华禁运。为了打破该项技术国外对我国的封锁，要求我国研制自己的高精度全自动陀螺经纬仪，以满足我国在定位定向技术方面的需要。

1 陀螺寻北原理

本文所研究的JT－15陀螺仪为一种摆式陀螺寻北仪，其中陀螺仪寻北的核心部件为双自由度陀螺。图1(a)是悬挂在地球表面某处的陀螺示意图。由于地球不断地由西向东转动，对惯性空间来说，悬挂陀螺仪地点的重力方向不断改变，而陀螺仪灵敏部系统的重心又在悬挂点之下，重力将迫使陀螺轴维持在水平方向，相当于有外力不断地翻倒陀螺，这样总有一个指向北方向的外力矩(重力矩)作用在陀螺上，陀螺的动量矩按最小夹角方向朝外力矩方向进动，陀螺轴就寻北了。当陀螺轴进动到真北时，陀螺动量矩与重力矩重合，似乎应该停止运动，但由于惯性作用，整个陀螺仪灵敏部还停不下来，然后由于空气阻力、悬带扭矩等作用，到一定位置停下来，再重复前述之运动，结果形成一个围绕地轴(真北)的往复摆动，摆动中心就是真北方向。陀螺经纬仪就是用适当的光学系统通过观测陀螺摆动来测定地球真北方向的。

图1 陀螺寻北原理图

由JT－15陀螺仪寻北的理论模型，机械陀螺无阻尼摆动周期为

m为灵敏部质量，g为重力加速度，l为倾心高，HG为转角动量，ω1E为地球自转角速度，72.921 1×10－6rad/s，φ为地理纬度。

在其他参数一定时，摆动周期与地理纬度φ有关，纬度高周期长，纬度低周期短。

根据以上陀螺仪寻北的理论公式，结合JT－15陀螺仪的相关参数，可以计算陀螺摆动理论值。根据相关资料，JT－15陀螺仪自转角动量 HG=0.392 kg·m2/s;陀螺灵敏部质量 m=0.85 kg;倾心高 l=0.15 m;重力加速度按照 9.806 65 m/s2计算。在北纬28.5°附近，计算得陀螺的理论摆动周期为

由于仪器的差异性，每台仪器的周期会有小幅差异，并随纬度变化。

陀螺仪是无法独立向外界表征北向的，它必须借助经纬仪(或者全站仪)实现定向及测角功能。如图1(b)所示。

2 陀螺经纬仪数字化测量子系统

改进陀螺经纬仪原有的光路系统，利用CCD取代人眼，实现陀螺仪光标信号的自动采集，信号经过放大、模数转换后由DSP处理器进行处理和寻北计算，实现数字化。选择TCD1501D型CCD芯片，结合现代电子设计技术，利用EPM7064SLC44－10型复杂可编程逻辑器件CPLD完成CCD驱动电路的设计。并且根据原有JT－15型陀螺经纬仪的结构尺寸，实现CCD采集模块的结构设计。选用TMS320F206型DSP处理器芯片，构建了陀螺经纬仪运动信号的数据采集和信号处理的软硬件系统。完成了整个系统的硬件电路和处理软件的设计和调试工作，实现了陀螺经纬仪信号采集和寻北计算的数字化［8］。本系统中包括电路设计及模块的机械结构设计，如图2所示。

图2 信号采集及处理系统原理图

3 自动初寻北子系统

机械陀螺寻北过程中，初、精寻北所占用的时间比例大致是对等的。为了保证寻北的精度，精寻北的时间不宜太短，于是提高寻北效率就要从初寻北方式上着手。在各种寻北方式中，利用地磁寻北具有时间短、成本低、精度高(0.5°以内)的特点。因此该子系统选择的寻北方式的原理为地磁寻北。

陀螺经纬仪传统的寻北过程为:首先利用跟踪逆转点法初寻北，然后再利用中天法精寻北，两种方法结合来完成整个寻北任务。本课题用到的JT－15型陀螺仪，寻北周期为8 min左右，加上初寻北，所需总寻北时间将达到25 min左右。用电子罗盘、转台系统、步进电机实现初寻北自动化的方法，可大大缩短寻北时间，降低寻北操作难度。自行设计了转台系统，通过减速比为180:1的减速机构，实现了转动速度的细分。由DSP处理器、步进电机驱动器、步进电机、电子罗盘形成一个闭环控制系统，电子罗盘可得出陀螺经纬仪照准部与真北方向的偏角作为反馈信号，DSP处理器采集反馈信号利用模糊控制算法进行解算，根据解算结果通过用CPLD设计的控制模块来控制步进电机的运动，从而驱动初寻北转台系统往初北方向靠近，逐步逼近，实现自动初寻北［9］。初寻北时间由原来的15 min～20 min提高到1 min～2 min，并保证了精寻北要求的北向精度［10］。

本系统所应用的初寻北器件为美国KVH公司生产的C100电子(数字)罗盘，具有体积小、价格低、性能稳定可靠等特点。它采用磁通门技术，定向精度可达到0.5°以内，分辨率为 0.1°，通过其数字接口，可提供地球磁场X、Y轴的水平分量。初寻北转台方向和速度由步进电机执行，而步进电机的控制及电子罗盘数据的采集由数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD完成。

图3 电子罗盘初寻北控制系统结构

4 陀螺灵敏部自动升降子系统

本课题所用JT－15型陀螺经纬仪是吊丝式陀螺仪，在进行寻北观测前需下放陀螺灵敏部，观测反映灵敏部摆动信息的光标信号进行寻北，要求操作平稳，快慢适宜。传统仪器都是人工进行下放操作，对操作人员素质要求比较高，一般需要进行多次重复托放才能完成。

陀螺灵敏部自动升降系统的原理图如图4所示，本系统旨在利用直线电机代替人工实现陀螺灵敏部自动托起下放过程，由DSP处理器、直线电机驱动器、直线电机、光电开关及CCD形成闭环控制系统，光电开关作为直线电机运行的限位器件，产生位置反馈信号;同时CCD采集反映灵敏部运动的光标信号，产生运动速度反馈信号。DSP处理器采集反馈信号进行解算，根据解算结果用CPLD设计的控制模块来控制直线电机的运动［11］，同时用限位系统将电机运动的位置反馈给DSP处理模块，从而控制电机的运行与停止。反映陀螺仪灵敏部运动信息的光标信号通过陀螺经纬仪的光路系统成像，光标像由CCD采集模块接收，通过CCD的光电转换，光标信号由光信号转变为反映光强的电压信号，通过A/D转换芯片转换得到数字信号，然后DSP处理模块对输入的数字信号进行处理。陀螺灵敏部下放以后，DSP处理器计算光标信号的运动速度等信息，当光标晃动过大或寻北摆动速度大于某一阈值时，DSP处理系统能够处理仪器运行中出现的异常，情况严重时报警。键盘输入为人机接口模块，通过对其控制可以实现所需的各种操作。

图4 陀螺灵敏部自动升降控制原理图

5 基于DSP和CPLD的总体控制子系统

基于DSP和CPLD的总体控制系统原理如图5所示。把全自动测量系统放置于测量地点，由人工手动调平，系统上电自检，自检通过后电子罗盘开始工作，测得的北方向信号输入给数字信号处理器DSP，根据数据处理结果由复杂可编程逻辑器件CPLD通过驱动模块［12］驱动步进电机，经回转系统，把陀螺经纬仪照准部往大致北方向靠近，如此反复，最终实现陀螺经纬仪初寻北;陀螺经纬仪在初北方向，启动陀螺灵敏部自动托起下放装置下放陀螺仪灵敏部，同时反映陀螺灵敏部运动信息的光标信号通过陀螺经纬仪的光路系统成像，光标像由CCD采集模块接收，通过CCD的光电转换，光标信号由光信号转变为反映光强的电压信号。电压信号为模拟信号，通过A/D转换芯片转换得到数字信号，然后数字信号处理器DSP对输入的数字信号进行预处理和寻北运算，最后再把运算结果送到显示模块。一次测量完成后陀螺灵敏部托起，等待下一次操作。键盘输入为人机接口模块，通过对其控制实现各种操作。

图5 基于DSP和CPLD的总体控制系统原理图

6 总体设计及实验

本文探讨了陀螺经纬仪实现全自动化的关键技术，并以JT－15陀螺仪为样机，完成了全自动仪器的实验装置。系统主要包括如下几个子系统:

(1)陀螺经纬仪数字化测量子系统。

(2)自动初寻北子系统。

(3)陀螺灵敏部自动升降子系统。

(4)基于DSP及CPLD的控制子系统。

各个子系统自成一体，相互独立。为了实现陀螺经纬仪寻北的全自动化，必须要将各个独立的子系统结合起来，相互配合、协调工作。研究寻北关键技术的初期，各个子系统在设计的过程中已经考虑到了组合协作的问题。总体软件设计流程图如图6所示。

图6 总体系统软件设计流程图

利用全自动陀螺经纬仪做如下陀螺寻北实验。①将陀螺经纬仪照准部固定在任意一个朝向位置，做好调平、连线等准备工作;②启动初寻北系统，开始自动初寻北，系统照准部对准初北方向;③在初北方向，启动陀螺，当陀螺启动稳定后自动下放系统开始工作，完成陀螺灵敏部自动下放;④陀螺灵敏部下放完毕后，开始精寻北;⑤系统软件自动完成精寻北，并显示寻北结果;⑥自动托起陀螺，完成一次测量;⑦重复②～⑥。

研究陀螺经纬仪的寻北方法的目的:一是为了提高寻北精度，再者是为了提高寻北速度。由陀螺经纬仪寻北原理可知，陀螺仪灵敏部运动规律遵循近似简谐运动，CCD接收到的光标信号的近似运动方程式为:

式中x为光标的运动位置，A为光标的摆动振幅，ω为光标光标运动角频率，φ为光标摆动相对于真北方向的初相位，d为光标摆动中心与参考零点的偏移量。寻北测量的目的就是通过测定(t，x)值来确定近似正弦曲线的中心，得到光标摆动中心与参考零点的偏移量，从而推算出真北所在方位。

由于陀螺仪光标运动的规律性，决定了我们研究寻北测量方法而改进寻北测量效率的可能。

在全自动寻北仪中设置了三种精寻北方法，分别是传统中天法、1/4周期中天法和实时中天法，用这三种寻北方法进行全自动总体寻北实验，实验结果如表1所示。棱镜在此次实验中相当于一个基准。仪器每次寻北完成后对准一次棱镜，则每次仪器所测量的棱镜与真北的夹角就可以反映仪器北值与真北的偏差情况。

表1 全自动陀螺经纬仪寻北结果

仪器精度是在实验室条件下测得的，外界干扰比较小。寻北时间包括陀螺灵敏部下放时间、初寻北和精寻北时间总和。初始位置是指仪器照准部偏离真北的任意一个位置，可能是180°、90°或其他度数。由表1可知，在实验室条件下，将仪器放于室内任何朝向，从仪器开始运行到得出精确北向:当采用传统中天法时，最长时间需要11 min，寻北精度为8.0″;当采用1/4中天法时，最长寻北时间为4 min，寻北精度为19.7″，实时中天法寻北时间最长为10 min，寻北精度为7.7″。1/4周期中天法，在实验室的条件下可以精确确定T(陀螺周期)值，当野外作业时，由于外界环境的干扰或者偏离T值测量点，仪器的实际精度都会有一定的下降。综上，以JT－15陀螺仪为样机，全自动陀螺经纬仪寻北装置的性能可概括为:当寻北时间为11 min时，精度优于8″(1σ);当寻北时间为 4 min时，精度优于20″(1σ)。

7 结论

本文首先介绍了陀螺经纬仪的寻北原理，然后以DSP及CPLD为核心，介绍了陀螺经纬仪数字化测量子系统、自动初寻北子系统、陀螺灵敏部自动升降子系统、基于DSP及CPLD的控制子系统的设计原理。通过总体系统软件的统一管理，最终实现了仪器的全自动控制。该系统运行稳定、精度高，能够有效的提高机械陀螺仪的寻北效率。可以为惯导系统提供可靠的初始方位角度，也是采矿等民用领域有效的定位仪器。该全自动寻北系统大大降低了机械陀螺寻北的操作难度，有效的提高了寻北效率，为我国机械陀螺寻北技术的提升做出了自己的贡献。

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