專利名稱：自動找北儀的監(jiān)控方法及自動找北儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量方位角的儀器，屬測量方法及儀器。
現(xiàn)在常用捷聯(lián)式陀螺找北儀，其基本原理就是利用一只工作在速率狀態(tài)下的陀螺觀測地球自轉(zhuǎn)速率的水平分量ωN，以確定其真北方向。最簡單的是采用二位置法假定陀螺常值漂移為ωd，陀螺輸入軸IA在水平面內(nèi)和北向的夾角為ψ，測得角速率ω1，然后將輸入軸轉(zhuǎn)過180°，又測得角速率ω2，如圖1所示。
這時ω1＝ωNCOSψ+ωd(1)ω2＝-ωNCOSψ+ωd(2)由此解得方位角ψ = C O S-1ω1- ω22 ωN( 3 )]]>即可得出真北方向。
上述二位置法可以消除陀螺常值漂移的影響，但是，如果陀螺存在隨機漂移，則其方位角測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差(當(dāng)ψ≈ (π)/2 時)為σ =2σW2 ωN( 4 )]]>
式中ωN為地球自轉(zhuǎn)速率的水平分量，σW為陀螺隨機漂移的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此要設(shè)法減少隨機漂移的影響。
如果觀測平面不是水平面，那么地球自轉(zhuǎn)速率的垂直分量ωH將直接影響指北精度。譬如，觀測平面相對水平面傾斜
角，ωH將在觀測平面上產(chǎn)生ωHSin
分量，設(shè)該分量相對北向夾角為ξ，如圖2所示。這時陀螺將敏感ωN和ωHSin
的合成角速率ωS，造成指北誤差△ψ
式中ωN＝ωeCosψ，ωH＝ωeSinψ，ωe為地球自轉(zhuǎn)速率，φ為當(dāng)?shù)鼐暥冉恰?br> 當(dāng)ξ＝ (π)/2 ，
為小量時，△ψ≈tgψ·
，在φ＝ (π)/4 附近，傾斜角對指北誤差的影響將處于同一個量級，所以這類指北儀器使用前必須進行精確調(diào)平。采用人工機械調(diào)平方法操作復(fù)雜，速度較慢。
本發(fā)明自動找北儀的監(jiān)控方法包括多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控和最小二乘參數(shù)估計方法及臺面傾斜補償技術(shù)兩部分。所說的多位置監(jiān)控技術(shù)是在平臺上均勻分布的幾個位置上進行測量，再以最小二乘參數(shù)估計法來處理所測得的數(shù)據(jù)，以提高測量精度。所說的臺面傾斜補償技術(shù)是用加速度計實時測量并估計平臺傾斜角大小及其相對北向的夾角，然后在微機內(nèi)自動進行補償，以消除臺面傾斜的影響。
用多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控方法，提高工作在速率狀態(tài)下陀螺對地球自轉(zhuǎn)速率水平分量的測量精度，并用加速度計敏感轉(zhuǎn)臺傾斜量，補償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速率垂直分量的影響，給出精確的方位基準(zhǔn)(真北向)。整個找北過程由微機控制自動完成，速度快，并且消徐了人為觀測誤差。
本發(fā)明多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控及臺面傾斜補償技術(shù)的原理如下(1)、多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控技術(shù)假定轉(zhuǎn)臺水平，陀螺自旋軸垂直臺面，則陀螺輸入軸IA和輸出軸OA均在水平面內(nèi)，定義IA相對北向軸ON的夾角ψ為方位角，-π≤ψ＜π，并規(guī)定順時針為正，如圖3所示。轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)，在一周均勻分布的n個位置上測量角速率，陀螺輸出信號yi(轉(zhuǎn)換為角速率后)的數(shù)學(xué)模型可表示為yi＝R+aCosθi+bSinθi+wi(6)式中R為陀螺常值漂移，wi為陀螺隨機漂移，a＝ωNCosψ，b＝ωNSinψ，θi＝(i-1)×2π/n，i＝1，2…，n.
令Y＝[y1y2…yn]T，X＝[R，a，b]T.W＝[w1w2…wn]T，
組成線性方程組Y＝AX+W(7)
其最小二乘解為
展開后可得
當(dāng)｛wi｝為均值為零、方差為σZW的白噪聲時
均為無偏估計，即
其方差為
在求得a和b的估計值
和
之后，即可求出方位角(主值)的估計值
(2)臺面傾斜的補償將加速度計安裝在臺面上，其輸入軸IAA近似水平，用以敏感重力加速度分量。定義IAA初始位置相對傾斜軸OT的夾角為ξ，-π≤ξ＜π，并規(guī)定順時針為正，
為臺面的傾斜角，如圖4所示。加速度計輸出信號Ai(轉(zhuǎn)換為角度后)的數(shù)學(xué)模型同樣可表示為Ai＝RA+aACosθi+bASinθi+wAi(11)式中，RA為加速度計的零位偏差，wAi為其隨機誤差，aA＝
Sinξ，bA＝
Cosξ，θi＝(i-1)×2π/n，i＝1，2，…，n。
同樣，利用最小二乘法可求出aA、bA的估計值
進而可求得
和ξ(主值)的估計值
假定加速度計輸入軸與陀螺輸入軸一致，則方位角估計值(主值)為
本發(fā)明自動找北儀由精密分度轉(zhuǎn)臺總成，慣性器件和監(jiān)控器所組成(圖5)。所說的精密分度轉(zhuǎn)臺總成，包括工作轉(zhuǎn)臺，精密軸承(支撐)、感應(yīng)同步器(測角元件)、力矩電機(執(zhí)行機構(gòu))、測速發(fā)電機(反饋元件)。所說的慣性器件包括陀螺和加速度計。所說的監(jiān)控器包括測角線路、驅(qū)動線路，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，微機和電源。
本發(fā)明自動找北儀的工作過程如下為提高測量精度，采用多位置測量技術(shù)，共測量n個測量點(如n＝100)，在轉(zhuǎn)臺位于第一個測量點時，微機采集感應(yīng)同步器輸出的反映轉(zhuǎn)臺角位置的電信號，陀螺輸出的反映該點地球角速率的電信號和加速度計輸出的反映轉(zhuǎn)臺傾斜狀況的電信號。數(shù)據(jù)采集完畢后，微機發(fā)出指令，使力矩電機驅(qū)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一指定的角度(360°/n)。然后再采集上述三種電信號數(shù)據(jù)。如此重復(fù)，到全部n個位置的數(shù)據(jù)采集完畢后，再按式(9)、(12)、和(15)進行計算得方位角
d。最后微機發(fā)出指令控制轉(zhuǎn)臺反向轉(zhuǎn)過
d角，使陀螺輸入軸指向真北方向。
說明附圖如下圖1為陀螺測北矢量圖。
圖2為觀測平面有傾斜時的陀螺測北矢量圖。
圖3為陀螺初始測量位置圖。
圖4為加速度計初始測量位置圖。
圖4為加速度計初始測量位置圖。
圖5為本實用新型自動找北儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為轉(zhuǎn)臺總成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為測角線路原理圖。
圖8為驅(qū)動電路原理圖。
圖9為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖。
圖10為程序框圖。
結(jié)合


實施例如下本實用新型自動找北儀由精密分度轉(zhuǎn)臺總成(1)，慣性器件(2)和監(jiān)控器(3)組成。慣性器件(2)包括陀螺(4)和加速度計(5)，陀螺(4)和加速度計(5)放在精密分度轉(zhuǎn)臺總成(1)的工作臺(6)上(見圖5)。其中陀螺(4)采用單自由度或二自由度液浮陀螺、動力調(diào)諧陀螺或其它類型工作在速率狀態(tài)下的高精度陀螺。加速度計(5)采用液浮擺式、石英撓性或其它類型的高分辨率加速度計。工作轉(zhuǎn)臺(6)由高精密滾珠軸承(7)支撐，最大端面跳動小于0.005mm。
在精密分度轉(zhuǎn)臺總成(1)內(nèi)(見圖6)裝有感應(yīng)同步器(8)，力矩電機(9)和測速發(fā)電機(10)。感應(yīng)同步器(8)有360對極，分辨率為1″;力矩電機(9)型號為160LY54，最大轉(zhuǎn)矩75000g·cm;測速發(fā)電機(10)型號為130CYD-11，標(biāo)度因子11v·s/rad。工作轉(zhuǎn)臺(6)的臺面有專用插座和陀螺(4)、加速度計(5)連接，饋線采用軟導(dǎo)線方式，允許工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，并由繼由器控制自動反向。
監(jiān)控器由測角線路、驅(qū)動線路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機和電源組成，并有饋線與精密分度轉(zhuǎn)臺相連。其中測角線路和感應(yīng)同步器(8)一起構(gòu)成閉環(huán)測量系統(tǒng)，如圖7所示。感應(yīng)同步器(8)感應(yīng)脈沖信號經(jīng)前置放大和濾波后變成正弦信號，經(jīng)過精門檻整形變成表示轉(zhuǎn)子角位移量的方波脈沖，再經(jīng)方向和誤差過界判別器產(chǎn)生方向和誤差過界信號，它和由跟蹤脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的跟蹤脈沖一起控制脈沖分配器，用阻塞脈沖的方法來改變轉(zhuǎn)換計數(shù)器的數(shù)值，從而改變函數(shù)發(fā)生器輸出脈沖的寬度，這時轉(zhuǎn)換計數(shù)器中被阻塞的脈沖數(shù)實際上就表示轉(zhuǎn)子的角位移量，被顯示記數(shù)器記錄下來，通過譯碼器由數(shù)碼管顯示。該測角線路的時鐘頻率為6MHZ，激磁頻率為3.3KHZ，具有兩種跟蹤速率3.3KHZ和300KHZ，由粗門檻信號電平高低進行選擇。
驅(qū)動電路(圖8)由D/A轉(zhuǎn)換、功率放大和測速反饋組成。D/A轉(zhuǎn)換采用12位DAC1210芯片，通過改變其參考電壓VREF的極性來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)向控制，而VREF的極性是通過雙四選一模擬開關(guān)4052來選擇。功率放大器采用L465功放元件，最大輸出電流可達4A，線性工作范圍為±15V，其共、差模范圍廣，頻帶寬，飽和度低，具有短路、過熱保護功能。線性功放線路保證轉(zhuǎn)臺停止時不產(chǎn)生微小顫動。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號放大、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器以及鐘頻發(fā)生器組成，用來采集陀螺(4)和加速度計(5)的輸出信號。A/D轉(zhuǎn)換器采用INTERSIL公司的ICL7104/ICL8068A片子，其分辨率為16位，最大輸入電壓為±2V。圖9為其電路原理圖，其中ICL7104由切換開關(guān)(輸入電壓與參考電壓的切換)、過零觸發(fā)器、控制電路、計數(shù)器、鎖存器、三態(tài)輸出控制器組成，稱為數(shù)字部分;ICL8086A由緩沖放大器、積分器、比較器和一個參考電壓源組成，稱為模擬部分。當(dāng)選用200KHZ采樣頻率時，最大采樣時間為0.6秒。
微機采用286專用微機。電源采用大功率DC/DC變換器。型號為4NICDC/DC1-500，由遼寧省朝陽市儀表研究所制造。軟件系統(tǒng)由以下五個模塊組成主模塊主要是轉(zhuǎn)位控制模塊，還包括參數(shù)輸入，其它模塊調(diào)用以及控制轉(zhuǎn)臺指北等。
陀螺信號采集模塊采集陀螺輸出信號，并對其進行線性補償處理。
加速度計信號采集模塊采集加速度計輸出信號，并對其進行加速度計信號采集模塊采集加速度計輸出信號，并對其進行線性補償處理。
轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)模塊在測量工作全部完成后，使轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)一周。
數(shù)據(jù)處理模塊對所采集的陀螺和加速度計信號用最小二乘法進行數(shù)據(jù)處理，最后給出方位角ψ。
圖10為軟件框圖。
本發(fā)明采用多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控技術(shù)和最小二乘參數(shù)估計方法，方位角估計值

的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

可以看出，隨著測量位置數(shù)n增大，估計精度就愈高。
例如，北京地區(qū)的緯度是40°，ωN＝11.49°/h;陀螺隨機漂移σW＝0.01°/h，其指北誤差為3′(1σ)。如果采用本發(fā)明裝置，假定測量位置數(shù)n＝100，按式(16)計算方位角

的標(biāo)準(zhǔn)偏差為25.4″，精度提高了7倍。
權(quán)利要求
1.一種自動找北儀的監(jiān)控方法，其特征是該監(jiān)控方法包括多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控技術(shù)和最小二乘參數(shù)估計方法及臺面傾斜補償技術(shù)兩部分，所說的多位置監(jiān)控技術(shù)是在平臺上均勻分布的n個位置上進行測量，再以最小二乘參數(shù)估計法來處理所測得的數(shù)據(jù)，所說的臺面傾斜補償技術(shù)是用加速度計實時測量并估計平臺傾斜角大小及其相對北向的夾角，然后在微機內(nèi)自動進行補償。
2.一種自動找北儀，其特征是該自動找北儀由精密分度轉(zhuǎn)臺總成，慣性器件和監(jiān)控器所組成，所說的精密分度轉(zhuǎn)臺總成包括工作轉(zhuǎn)臺、精密軸承、感應(yīng)同步器，力矩電機、測速發(fā)電機，所說的慣性器件包括陀螺和加速度計，所說的監(jiān)控器包括測角線路、驅(qū)動線路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，微機和電源。
全文摘要
一種自動找北儀的監(jiān)控方法和自動找北儀，屬測量方法及儀器類。本發(fā)明自動找北儀的監(jiān)控方法包括多位置轉(zhuǎn)臺監(jiān)控技術(shù)和最小二乘參數(shù)估計方法及臺面傾斜補償技術(shù)兩部分。自動找北儀由精密分度轉(zhuǎn)臺總成，慣性器件和監(jiān)控器所組成。精密分度轉(zhuǎn)臺總成包括工作轉(zhuǎn)臺、精密軸承、感應(yīng)同步器、力矩電機、測速發(fā)電機。慣性器件包括陀螺和加速度計。監(jiān)控器包括測角線路、驅(qū)動線路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機和電源。
文檔編號G01C19/00GK1084635SQ9311873
公開日1994年3月30日 申請日期1993年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月22日
發(fā)明者顧啟泰, 劉學(xué)斌, 周力強, 徐清, 易鋒 申請人:清華大學(xué)