加速度计寻北仪的工程技术难点分析

　　1引言

　　工程测量应用领域中,存在着确定北向方向的问题,尤其在高精度瞄准要求的设备中,要解决自主定位定向问题。确定方向也是导航定位的要求。定向系统需要具有高精度、高效率、自主无依托的能力。寻北系统通过敏感地球速率来获得北向信息,从而测量出任意测点的真子午线位置,实现找北过程,达到定向的目的。传统的寻北系统采用陀螺作为惯性器件来完成对地球速率的检测,成本很高,人们为研究低成本的寻北进行了不懈努力。

　　随着加速度计制造精度的进一步提高,20世纪80年代出现了非陀螺惯性测量单元,由于它摒弃了昂贵的陀螺,从而使制造成本大为下降。将加速度计应用于寻北系统,20世纪90年代末期既有人提出一种基于Coriolis效应的加速度计找北系统实现方案,理论上可使整体设备具有操作简单、快速、定向精度高、价格便宜等特点,这是其他定向方法所不及的。

　　2加速度计找北系统实现方案

　　2.1寻北系统的基本原理

　　通过研究发现,在地球表面可将地球自转角速度ωE分解为两个分量,如图1寻北原理示意图所示,水平分量ωN=ωEcosλ沿地球经线指向真北,垂直分量ωV= ωEsinλ沿地球垂线垂直向上(λ为纬度角)。可见,敏感地球自转角速度的水平分量可获得地球的北向信息,这就是寻北系统的基本原理。

　　2.2基于哥氏效应的加速度计寻北系统

　　地球上的物体相对于地球运动,而地球又绕地轴自转,因而组成复合的运动。在一般问题中,地球自转的影响可略去不计。但是在某些特殊情况下,却必须加以考虑。本文所讨论的寻北系统方案,正是利用地球自转这一实际情况,以地球作为动参考系(牵连运动),构造一个水平的恒速转台,以转台边缘的某个切点为参考点(相对运动),其切向速度与地球自转角速度的北向分量形成复合运动产生哥氏加速度。通过转台动态调制,地球自转角速度的北向分量与该点上切向速度复合生成的哥氏加速度输出为一正弦信号,通过检测该正弦信号的峰值所对应的相位,即为地球上所在位置的真北方向。

　　其基本原理如图2所示,原理上加速度计输出曲线如图3所示。

　　在此寻北方案中，如图4基于哥氏效应的寻北方案试验转台所示将一只加速度计安装在转台上。转台水平放置由电机带动。转速为加速度计侧量轴墓、垂直向上。距离转台轴的偏心距为为地球速率的北向分量。加速度计实际输出为:

　　上述信号的直流部分通过交流放大器可以滤掉。已知和为常值;通过稳速，使保持恒定。所以Fm为常值。利用编码器的基准脉冲，对正弦信号进行同步检波献能计算出初始方位角从而确定被测点的真北方向。