复合寻北在全自动陀螺经纬仪系统中的应用

　　0　引　言

　　陀螺经纬仪是一种精密的测量真北的仪器,广泛应用于军事、测绘、航空和航天等领域。近年来,陀螺仪的品种不断增多,但由于种种原因,新式陀螺仪(如,光纤式陀螺仪、激光式陀螺仪等)在精度和适应环境能力方面目前往往不及传统的机械光学式陀螺仪。

　　随着微电子技术的发展,机械光学式陀螺逐渐从人工跟踪读数发展到智能电子读数,使精度不断提高,测量时间也在不断减少,然而,测量时间与测量精度成为了一个重要矛盾。在军事上,陀螺经纬仪的出现使导弹的无依托机动发射成为可能,但寻北时间与精度难以调和的矛盾严重制约着其应用。导弹如要具有二次打击能力,则其发展必须控制在尽可能短的时间内,而对于当前的机械式寻北仪仅采用一种寻北方法是不可能同时完成这两项要求的。同时,传统的陀螺仪操作较为复杂,尤其是对陀螺的初始架设、限幅与跟踪,对操作人员的素质依赖很大,整个寻北测量过程均在13min以上,且测量标准差很难控制在15″以内,难以保证导弹快速机动发射与高精度的要求。因而,研制出全自动型陀螺寻北仪具有重要意义。

　　利用现代传感技术、步进电机技术改造传统的机械光学式陀螺仪,使之具有自动读数、自动处理测量结果等智能化成为一个重要的研究课题。

　　1　光学系统结构与工作原理

　　系统的光学系统原理如图1所示^[1],光源发出的光束经聚光镜聚焦后,透过分划板的狭缝(20μm×20mm)形成线光源,经棱镜、反射镜1反射后通过透镜成像,经反射镜组2反射后(增加CCD光程以提高分辨力),成像在线阵CCD上。反射镜1固定在陀螺房上,随陀螺房一起运动。因而,引起光标像摆动,在CCD上接收到光标像的变化反映了陀螺房的运动情况。

　　在CCD上接收成像位置数据^[2],CCD一次积分成像如图2所示,在光标照在的像元处,经A/D转换后,由电压信号反映出光强,在计算机屏幕上得到如图2所示的原始光标的像元位置电压图像。将图2信号部分像元拉伸可得到图3所示CCD能量分布图(坐标轴与图2相同),采用阶梯法进行拟合插值可求得光强分布中心^[3],即得到光标的瞬间位置。

　　陀螺房的运动信息通过CCD采集,经A/D转换后由计算机进行数据处理。一个测量过程为采集1个周期信号,所以,可以绘制出图4所示的运动曲线。根据这条运动曲线,确定其平衡位置,由此,可得到真北的位置。这条曲线记录了光标运动轨迹的时间位置离散曲线。用计算机处理可以监测陀螺仪整个运动过程的实际情况。

　　2　复合寻北在计算机环境下的应用