王永偉，徐向東，高 峰，穆 巖，宮亞坤

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.空軍駐長春地區(qū)軍事代表室，吉林長春130012）

捷聯(lián)尋北信號采集系統(tǒng)研究

王永偉1，2，3*，徐向東1，高 峰1，穆 巖1，宮亞坤1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.空軍駐長春地區(qū)軍事代表室，吉林長春130012）

基于捷聯(lián)尋北信號采集系統(tǒng),提出了一種在不同地理緯度下準(zhǔn)確獲得陀螺數(shù)據(jù)擬合曲線的方法。首先計算得出了在不同地理緯度下動調(diào)陀螺輸出的電流大小,根據(jù)其變化調(diào)整信號采集模塊的采樣電阻值,設(shè)計了基于數(shù)字電位器的自調(diào)整采樣電阻系統(tǒng)；然后數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)采集到的陀螺信號自動計算工作地點的地理緯度,自調(diào)整采樣電阻系統(tǒng)通過地理緯度自動設(shè)置采樣電阻的阻值,進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)擬合曲線。本方法確保了尋北儀在不同地理緯度時滿足尋北精度要求,適應(yīng)性強,穩(wěn)定性高。

信號檢測；捷聯(lián)尋北；信號采集系統(tǒng)；數(shù)字電位器

1 引言

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展,捷聯(lián)尋北儀以其快速、高可靠性、無需外界提供地理位置信息和簡單的結(jié)構(gòu)成為發(fā)展的主流趨勢,尋北儀在導(dǎo)彈發(fā)射、火炮瞄準(zhǔn)等軍事應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用［1-4］。在實際工程應(yīng)用中,尋北儀的工作緯度從南緯53°到北緯53°,在地球緯度0°～53°的范圍內(nèi),地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量的變化范圍較大,陀螺輸出信號的幅值會有較大的差異。當(dāng)信號采集系統(tǒng)的采樣電阻為定值時,不同地理緯度時陀螺數(shù)據(jù)擬合曲線不同,有些地理緯度的數(shù)據(jù)擬合曲線會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失,對尋北產(chǎn)生一定的影響［5-7］。

本文通過計算分析了在不同地理緯度時尋北儀動調(diào)陀螺輸出的電流大小不同,提出了采樣系統(tǒng)采樣電阻阻值應(yīng)根據(jù)地理緯度的變化自動調(diào)整,設(shè)計了基于數(shù)字電位器的自調(diào)整采樣電阻,通過采集陀螺信號自動計算工作地點的地理緯度,通過地理緯度自動設(shè)置采樣電阻的阻值,確保了尋北儀在不同地理緯度時的尋北精度。本文設(shè)計的數(shù)字電位器自調(diào)整采樣電阻系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他工程實踐中。

2 捷聯(lián)尋北系統(tǒng)

捷聯(lián)尋北系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺調(diào)平系統(tǒng)（傾角儀）、轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)（伺服單元）、慣性測量系統(tǒng)（動調(diào)陀螺）、溫度控制系統(tǒng)（溫控單元）等構(gòu)成［1-2］。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由信號采集模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊組成,是尋北儀的中央處理核心,主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理并計算尋北角度的功能,原理框圖如圖1所示。信號采集模塊將陀螺輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；信號處理模塊對陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,并根據(jù)多個轉(zhuǎn)位位置的陀螺數(shù)據(jù)和編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計算尋北角度；數(shù)據(jù)顯示模塊顯示尋北儀的工作狀態(tài)和尋北角度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通訊模塊通過串口與伺服控制單元、溫度控制單元、電子傾角儀、編碼器、上位機進(jìn)行通訊,收發(fā)數(shù)據(jù)。

捷聯(lián)尋北系統(tǒng)將動調(diào)陀螺垂直安裝在轉(zhuǎn)臺上,其敏感軸與臺面平行,感應(yīng)地球自轉(zhuǎn)角速度?？刂妻D(zhuǎn)臺從起始位置起,逆時針旋轉(zhuǎn)、停頓、旋轉(zhuǎn)、停頓、……,一周內(nèi)轉(zhuǎn)臺間隔停頓n個轉(zhuǎn)角位置,在每個轉(zhuǎn)角位置停頓靜止時采集陀螺信號,在一周n個轉(zhuǎn)角位置θi=（i-1）×2π/n,i=1,2……n上,陀螺輸出的數(shù)學(xué)模型為：

式中,yi為陀螺輸出；R為陀螺常值漂移；ωN為地球自轉(zhuǎn)角速率的北向分量；Ψ為初始方位角；θi為轉(zhuǎn)臺的n個轉(zhuǎn)角的位置,θi=（i-1）×2π/n,i= 1,2……n。ωi為陀螺測量噪聲。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型即可得到捷聯(lián)尋北的原理曲線是一個正弦曲線。當(dāng)θi=ψ時,陀螺輸出最大,即為真北方向。

3 信號采集模塊

信號采集模塊將陀螺輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,尋北儀的信號采集模塊主要由采樣電阻、同相加法器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成,電路原理圖如圖2所示。

3.1 采樣電阻

采樣電阻R1是用來將陀螺輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,其電阻值的選取首先是與陀螺輸出的電流大小有關(guān),其次是與運算放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的工作電壓范圍有關(guān)。

根據(jù)動力調(diào)諧陀螺［8-10］的力矩器刻度系數(shù)：

可推算出：

忽略陀螺各種漂移的影響,陀螺輸出為：

已知地球自轉(zhuǎn)角速度ωe=15°/h,地理緯度φ =42°,將式（3）中Kx、Ky的數(shù)值代入式（4）中,則陀螺輸出的最大電流值為：

由于A/D轉(zhuǎn)換器AD7667的工作范圍為0～2.5 V,則運算放大器U1的輸出V0應(yīng)該在0～2.5 V。根據(jù)圖2中設(shè)計的電路原理,輸入電壓Vin應(yīng)該在-1.25～1.25 V范圍之間,即：

滿足后續(xù)電路的工作電壓范圍要求,所以,采樣電阻R1的阻值初步選定5.1 kΩ。

3.2 采樣電阻對尋北的影響

在尋北儀的實際使用中,工作緯度從南緯53°到北緯53°,在地球緯度0°～53°的范圍內(nèi),地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量ωN的變化范圍較大,陀螺輸出信號的幅值會有較大的差異,就會對尋北產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)式（4）,在地球赤道處,緯度φ=0°,陀螺輸出的最大電流值為：

在長春地區(qū),緯度約為φ=42°,陀螺輸出的最大電流值為：

再往北走,到達(dá)緯度φ=53°時,陀螺輸出的最大電流值為：

當(dāng)采樣電阻取R1=5.1 kΩ時,根據(jù)圖2設(shè)計的陀螺信號采集電路,A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為：

以快速模式為例,取90個測量位置,設(shè)北向相位為ψ=0.5,將式（7）、（8）、（9）的電流值代入到式（10）中,對不同地理緯度φ=0°、φ=42°、φ=53°的陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,圖3為地理緯度42°時的仿真曲線,圖4為地理緯度0°時的仿真曲線,圖5為地理緯度53°時的仿真曲線。

由于采樣電阻R1的選擇是以長春地區(qū)（北緯42°）為基準(zhǔn),因此,從仿真曲線可以看出,只有圖3的曲線較好,而圖4曲線的電壓幅值過大,圖5的電壓幅值較小。在赤道處,電壓值超出A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)圖4中的限幅現(xiàn)象,有效數(shù)據(jù)不到60個,將會影響曲線擬合的精度。在圖5中,由于地理緯度較高,電壓幅值較低,降低了有效分辨力,也會對擬合精度有一定的影響。所以,采用固定阻值的采樣電阻,無法滿足尋北儀在不同地理緯度時的實際工程應(yīng)用。

4 數(shù)字電位器及其應(yīng)用

為了避免固定阻值采樣電阻帶來的負(fù)面影響,滿足尋北儀工程應(yīng)用的需求,本文采用了新型的可變阻值電阻---數(shù)字電位器［11］。

4.1 數(shù)字電位器原理

數(shù)字電位器（digital potentiometer）是采用CMOS工藝制成的數(shù)字---模擬混合信號處理集成電路,亦稱數(shù)控可編程電阻器,簡稱數(shù)控電位器（digitally controlled potentiometers,DCP）。數(shù)字電位器具有壽命長、工作可靠、性能穩(wěn)定、抗沖擊和振動、體積小、使用靈活等特點,廣泛用于各種儀器儀表、計算機及通信設(shè)備、家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域,近年來具有取代傳統(tǒng)機械式電位器的趨勢［12］。

本文選用了美國微芯公司（Microchip）生產(chǎn)的MCP4022數(shù)字電位器,其封裝形式及原理框圖如圖6所示。MCP4021/2/3/4系列器件是6位分辨率的非易失性數(shù)字電位器,它既可以配置成電位器,也可以配置成變阻器。通過簡單的Up/Down（U/D）串行接口對電刷設(shè)置進(jìn)行控制。該系列器件采用了Microchip的Wiper Lock技術(shù),它允許在EEPROM中保存應(yīng)用特定的校準(zhǔn)設(shè)置,而不需要使用額外的寫保護(hù)引腳［13］。

MCP4022數(shù)字電位器的基本特性為：（1）非易失性數(shù)字電位器,SOT-23-6封裝形式；（2）64個抽頭：在A和B端間利用抽頭形成63個分級電阻；（3）簡單Up/Down（U/D）協(xié)議；（4）上電自動調(diào)用保存的電刷設(shè)置；（5）電阻阻值：2.1、5、10、50 kΩ；（6）低溫度系數(shù)：50 ppm；（7）低電刷電阻：75Ω；（8）可承受高電平數(shù)字輸入：最高可達(dá)12.5 V；（9）寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；（10）擴展級溫度范圍：-40～+125℃［12］。

MCP4022數(shù)字電位器具有4種標(biāo)稱電阻（RAB）,分別為2.1、5、10和50 kΩ,標(biāo)稱電阻定義為A端和B端之間的電阻值。在A端和B端之間排列有63個電阻,電刷可以設(shè)置于這63個電阻中的任意一個抽頭,這樣就提供了64種設(shè)置選擇（包括A和B兩端）。圖7是該器件電阻網(wǎng)絡(luò)的框圖。

從電阻網(wǎng)絡(luò)框圖,可以得到步長電阻RS的計算公式：

則數(shù)字電位器輸出電阻RAW的計算公式為：

式中,RW為電刷電阻（RW=75Ω）。

4.2 數(shù)字電位器應(yīng)用

根據(jù)圖2中設(shè)計的采集電路,輸入電壓Vin取值為1.1 V（保證電路有一定的冗余）,由式（6）可得到采樣電阻與陀螺輸出電流的關(guān)系：

在地理緯度為0°時,陀螺輸出電流最大,則采樣電阻的阻值最?。?/p>

而在地理緯度為53°時,陀螺輸出電流最小,采樣電阻的阻值最大：

因此,在地理緯度0°～53°的范圍內(nèi),采樣電阻阻值的取值范圍可設(shè)定為3.8～6.3 kΩ。在實際應(yīng)用中串聯(lián)了3個MCP4022T-202E,電阻值為2.1 kΩ,步長電阻為33.33Ω,以提高數(shù)字電位器的分辨率,如圖8所示,其中MCP4022的控制信號CS、U/D由FPGA［14］提供。

設(shè)圖8中3個數(shù)字電位器的電阻分別為RAW1、RAW2和RAW3,則陀螺信號的采樣電阻為：

已知RAB=2.1 kΩ,R1=3.79 kΩ,設(shè)3個數(shù)字電位器的電阻級數(shù)分別為N1、N2、N3,根據(jù)式（12）可得出：

將式（17）代入到式（16）中,即可得到采樣電阻阻值與數(shù)字電位器電阻級數(shù)之間的關(guān)系：

最后根據(jù)式（13）和式（18）,可計算出數(shù)字電位器電阻級數(shù)與地理緯度的表達(dá)式：

在不同的地理緯度時,通過式（19）計算出3個數(shù)字電位器的電阻級數(shù)之和,由處理單元合理分配N1、N2、N3,再由FPGA將N1、N2、N3寫入到數(shù)字電位器中,從而實現(xiàn)可變采樣電阻的自動設(shè)置。

4.3 自動計算地理緯度的方法

自調(diào)整采樣電阻在實際應(yīng)用時,還有一個需要解決的關(guān)鍵問題：必須先知道尋北儀所在位置的地理緯度,可通過下面的方法自動計算出地理緯度。

首先,合理設(shè)定數(shù)字電位器的電阻級數(shù)N1、N2、N3,使N1+N2+N3=82,由式（18）可計算出采樣電阻的阻值為：

再將上式代入到式（10）中,陀螺輸出信號的最大幅值為：

則地理緯度可通過下式計算得到：

具體實施的步驟為：

（1）先設(shè)定N1+N2+N3=82,使采樣電阻R1=3.79 kΩ；

（2）控制轉(zhuǎn)臺勻速轉(zhuǎn)動一周,實時采集陀螺數(shù)據(jù),經(jīng)過濾波處理,得到陀螺數(shù)據(jù)的最大幅值Vmax；

（3）根據(jù)式（22）即可通過Vmax計算出地理緯度。

圖9是自調(diào)整采樣電阻的自動設(shè)置過程：先將采樣設(shè)置為最小值,通過采樣數(shù)據(jù)自動計算地理緯度,再重新計算數(shù)字電位器的電阻級數(shù),最后將級數(shù)寫入到數(shù)字電位器中。

5 結(jié)論

本文計算分析了尋北儀在不同的地理緯度時動調(diào)陀螺輸出的電流值不同的特點,得出當(dāng)采樣系統(tǒng)的采樣電阻為定值時,某些地理緯度的尋北精度較低。采用3個數(shù)字電位器制作的自采樣電阻器系統(tǒng),可依據(jù)地理緯度通過FPGA自動設(shè)定采樣電阻的大小。同時,地理緯度也可以通過采集到的陀螺信號來獲得。利用FPGA和數(shù)字電位器制作自采樣電阻的方法,能夠確保尋北儀在不同緯度的尋北精度,適應(yīng)性強,穩(wěn)定性高。

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作者簡介：

王永偉（1983-）,男,山西汾陽人,學(xué)士,工程師,2006年于空軍工程大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事雷達(dá)工程、光學(xué)系統(tǒng)加工等方面的研究。E-mail：yongwei.516@ 163.com

徐向東（1969-）,男,山東濟南人,碩士,高級工程師,1996年于空軍工程學(xué)院獲得碩士學(xué)位,主要從事航空彈藥、雷達(dá)電子方面的研究。E-mail：xuxd@163.com

穆 巖（1980-）,男,吉林松原人,碩士,工程師,2003年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2012年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事雷達(dá)電子等方面的研究。E-mail：muy@163.com

宮亞坤（1987-）,男,陜西西安人,學(xué)士,助理工程師,2010年于長春工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事雷達(dá)電子等方面的研究。E-mail：gongyk@163.com

高 峰（1963-）,男,山西長子人,碩士,高級工程師,主要從事雷達(dá)電子方面的研究。E-mail：gaofeng@163.com

Signal sampling system of strap-down north seeking

WANG Yong-wei1,2,3*,XU Xiang-dong1,GAO Feng1,MU Yan1,GONG Ya-kun1
（1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Uniυersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China；3.Air Force Military Delegate Office in Changchun,Changchun 130012,China）
*Corresponding author,E-mail：yongwei.516@163.com

We proposed amethod to accurately acquire the sin wave curve of strap-down north seeking signal acquisition system at different latitudes.According to the current value of dynamically tuned gyro outputat different latitude we designed a system which can automatically adjust the sample resistor value using digital potentiometer.The data processing system calculates the latitude automatically based on dynamically tuned gyro signal and then the signal acquisition system resets the acquisition resistor value,and thuswe can acquire the sin wave curve efficiently.Using thismethod we ensure that the north finder can meet the accuracy requirements at different geographical latitudes,and has strong adaptability and high stability.

signal detecting；strap-down north seeking；signal sampling system；digital potentiometer

TN911.7

A

10.3788/CO.20140705.0786

2095-1531（2014）05-0786-08

2014-04-15；

2014-06-13

吉林省自然科學(xué)基金資助項目（No.201115124）