全姿态挠性陀螺寻北仪的研制及其数据处理技术

摘要

高精度快速定向系统在军事和民用部门都日益得到广泛的应用。在军事上，需要对陆地战车、导弹及火炮等武器系统进行精确的定位定向。在民用中，精密大地测量，矿井工程中都需要非常精确的方位基准。现今常用的动调陀螺寻北仪需要在陀螺安装平台调平后使用，否则将加大系统寻北误差。由于陀螺安装平台调平较难，并且调平比较费时，不适应快速寻北装置要求，所以上海交通大学和上海英谱乐惯性技术发展有限公司联合研制全姿态寻北仪。本文介绍了这一全姿态动调陀螺寻北仪的设计与开发情况。该寻北装置利用随机漂移为0．03°/h的动调陀螺仪，采用两位置测量方法，通过解析式调平法，靠加速度计来实时测量寻北仪的倾斜角，并通过一定的算法对陀螺信号进行补偿，以消除寻北仪倾斜时地球自转角速度垂直分量对寻北精度的影响。本设计中所研究的全姿态动调陀螺寻北仪在俯仰角和横滚角小于±5°精确寻北，寻北时间小于3分钟。 由于全姿态动调陀螺寻北仪工作时处于倾斜状态，一些本可以互相抵消的影响寻北精度的误差因素体现了出来，这给系统精度的实现带来了一定的困难。为了研究该方案的可行性，本设计从理论上对陀螺常值漂移、陀螺随机漂移、加速度计零漂、转位机构转位误差、陀螺两轴不正交、加速度计安装误差、重力加速度g和纬度φ误差等各项影响寻北精度的误差进行了基于MATLAB的理论仿真；然后在理论仿真的基础上利用双轴数显转台及分度头模拟寻北仪倾斜时的情形进行了物理仿真试验，试验结果表明，全姿态寻北仪的寻北误差具有重复性及正弦变化趋势，可以利用建立正弦曲线的误差补偿模型对寻北结果进行补偿，经补偿后寻北误差从0．0987°（1σ）减少到0．036°（1σ）；在进行测漂实验的基础上，针对动力调谐陀螺仪启动过程中随机漂移模型参数的缓慢变化及逐次启动漂移模型系数的不同，本文提出了一种利用递归最小平方格型（LSL）算法对动力调谐陀螺仪随机漂移模型系数进行自适应估计的方法。格型相同节级联的特殊结构决定了递归最小平方格型算法在AR模型阶数增加时不必改变算法结构，使得该算法可以在线进行，并且该算法收敛非常迅速，可以针对动力调谐陀螺仪不同次启动快速建立该次启动的随机漂移模型，通过对动力调谐陀螺仪启动一分钟后的四组实测漂移数据处理及模型检验，证明了该建模方法的有效性。用该办法建立的动调随机漂移模型可以应用于寻北仪中对陀螺仪输出信号的随机漂移加以补偿。 在理论分析和对比试验的基础上，设计开发了实现系统转位电机控制与再平衡电路加电控制、陀螺与加速度计信号的数据采集、寻北方位角解算和远程通讯等功能的数据采集与计算板并进行了系统对接试验。考虑到在寻北解算中浮点运算较多，并且需要用到浮点的加法、乘法、除法、开平方及三角函数的运算，如果利用单片机实现难度较大，并且由于单片机一般是八位微处理器，进行浮点运算会增加计算误差，故采用TI公司的浮点DSP芯片TMS320C32作为数据采集与计算板的中央处理单元。TMS320C32是支持浮点运算的32位数字信号处理芯片，有着很高的计算精度，利用该芯片构成系统，计算误差可以忽略不计，同时提高了运算速度。另外，利用TMS320C32的C语言编译器进行编程，简化了程序的设计，并且使得程序简明易懂。 本文中所开发的全姿态动调陀螺寻北仪具有自检功能，结构实现模块化，同时带有RS-422接口，可直接利用计算机对该寻北装置进行监控。对接试验表明本文中所开发的数据采集与计算板基本上完成了寻北仪要求的功能，但是从测试结果上看，寻北仪的精度还有待于进一步的研究与提高，同时对寻北仪还需进行更完善的测试。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1定向系统的发展

1.1.2现代常用的定向系统

1.1.3定向系统的主要应用

1.2选题的背景及依据

1.3主要研究内容

第二章寻北仪组成及工作原理

2.1寻北仪组成

2.2全姿态动调陀螺寻北仪的基本工作原理

2.3小结

第三章全姿态动调陀螺寻北仪误差分析及仿真

3.1陀螺仪常值漂移误差的补偿

3.2陀螺仪随机漂移对寻北精度的影响

3.3加速度计零位输出对寻北精度的影响

3.4转化误差对寻北精度的影响

3.5陀螺仪输出轴不正交产生的寻北误差

3.6加速度计安装误差对寻北精度的影响

3.7物理参数误差对寻北精度的影响

3.8综合误差

3.9小结

第四章物理仿真实验及其数据处理

4.1陀螺的八位置试验

4.2物理仿真试验

4.2.1数据采集装置

4.2.2水平状态寻北试验及其结果分析

4.2.3倾斜状态寻北试验及其结果分析

4.2.4寻北方位角解算的实施方案

4.3动调陀螺仪随机漂移测试及其建模研究

4.3.1动调陀螺仪随机漂移测试

4.3.2动调陀螺仪随机漂移的建摸研究

4.4小结

第五章寻北仪的软硬件设计

5.1数据采集与方位计算电路的硬件设计

5.2数据采集与方位计算电路的软件设计

5.3寻北仪微机监控系统的设计

5.3.1监控系统的组成

5.3.2监控系统硬件设计

5.3.3通信数据格式

5.3.4监控系统软件设计

5.4对接试验

5.5小结

第六章结束语

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录