２０１５年１０月第５期 现代导航 ・４５３・ 陀螺罗经性能测试方法研究 陈晓丽 （解放军９２９４１部队，辽宁葫芦岛１２５０００） 摘要：本文通过分析航海型电罗经的工作原理，提出了陀螺罗经的通用测试平台设计方法， 以及陀螺球性能参数相关的计算方法，通过陀螺罗经测试平台的数据采集，将数据结合陀螺球性 能参数进行解算，可以定量的鉴定陀螺球的性能并可以数字输出鉴定结果数据，并将数据通过上 位机软件图形显示，测试结果自动计算生成。通过该平台的设计大大提高了陀螺罗经试验测试水 平，提高了测试效率。 关键词：陀螺球；试验平台；数据采集 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７９７６．（２０１５）０５—４５３—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｇｙｒｏｃｏｍｐａｓｓ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｙｒｏｃｏｍｐａｓｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｕｌｄ ａｓｓｅｓｓ ｇｙｒｏ ｓｐｈｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｓｕｌｔ ｄａｔａ ｂｙ ｄａｔａ ｐｉｃｋｉｎｇ ｏｆ ｇｙｒｏｃｏｍｐａｓｓ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｄａｔａ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｇｙｒｏ ｓｐｈｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｌｌ ｄａｔａ ｃｏｕｌｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｂｙ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐａｐｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｙｒｏｃｏｍｐａｓｓ ｔｅｓｔ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｙｒｏ Ｓｐｈｅｒｅ；Ｔｅｓｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ；Ｄａｔａ Ｐｉｃｋｉｎｇ ０引言 １陀螺罗经的基本原理 电罗经又称陀螺罗经，它能自动、连续地提供 陀螺不旋转时，其轴线可以任意改变。当其高 舰船的航向信号，并通过航向发送装置将航向信号 速旋转而又没有受到外力影响时，它就不会改 传递到舰船需要航向信号的各个部位。从而满足舰 变轴线的方向，维持空间一定的指向，这种特 船导航及武备系统的要求，是舰船必不可少的精密 性，称为陀螺的定轴性。当旋转的陀螺受到某种外 导航设备，被称为舰船的“眼睛”。全套设备由主 力作用时，它又按一定的规律不断地改变其轴线的 罗经、分罗经和附属仪器三部分组成，核心部件 空间指向，这叫陀螺的进动性。 是主罗经内的陀螺球。陀螺球是提供航向信号基 电罗经正是应用了陀螺仪的定轴性和进动性， 准的敏感部件，是确保电罗经产品精度、性能指 使其旋转轴线精确跟踪地球子午面，并且始终准确 标的首要关键部件。 地指向地理北极，这样，无论船舶航行到哪里，都 可以依此确定航向。 收稿日期：２０１５．０２．０５。 ・４５４・ 现代导航 ２０１５芷 ２陀螺罗经的主要特性 ２．１陀螺罗经主轴的等幅摆动 通过对自由陀螺仪施加控制力矩制成的陀螺 罗经，罗经主轴只具有自动找北的能力而不能稳定 等于８４．４ ｍｉｎ时，称为陀螺罗经的理想自由 摆动周期，这时若船舶机动航行，船上的陀螺罗经 将不产生第一类冲击误差。 理想自由摆动周期所对应的纬度称为陀螺罗 经的设计纬度（ｃｈｏｓｅｎ ｌａｔｉｔｕｄｅ）（ ），设计纬度是设 计罗经时所选取的一特殊纬度。 ２．２陀螺罗经阻尼曲线 指北，其自动找北的运动轨迹是呈扁平的椭圆轨 迹。 这一椭圆运动轨迹的中心位于子午面内，椭圆 启动时间，是陀螺罗经主轴在控制力矩和阻尼力 矩的作用下，由指示任意方向到稳定指北所需要的 时间。阻尼运动，是在启动时间内，陀螺罗经主轴 的运动，轨迹是一种逆时针收敛螺旋线。阻尼曲线 （ｄａｍｐｉｎｇ ｃｕｒｖｅ）（如图１所示），启动罗经时，由于 的两长半轴相等，两短半轴也相等，因此椭圆运动 轨迹是等幅椭圆。 罗经主轴作等幅椭圆运动（自由摆动）一周所 需要的时间，称为陀螺罗经的自由摆动周期（ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｆｒｅｅ—ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）Ｔｏ。 船舶航向固定不动，记录器记录的航启动陀螺罗经 所需要的时间除了与阻尼周期ＴＤ和阻尼因数，有 关外，还与启动罗经时其主轴的初始方位角 有关。 自由摆动周期 的大小： 厂——— ＿一 Ｔｏ ２ ．／／ （ ） 罗经启动时间的长短只随船舶所在的纬度和主轴的 初始方位角变化。陀螺罗经都采用启动时减小罗经 主轴的初始方位角（和初始高度角），进行快速启动。 式中，Ｗｅｃｏｓ 为地球自转角速度 的水平分量。 陀螺罗经的自由摆动周期与罗经的结构参数 在阻尼迹线就是罗经主轴的阻尼运动轨迹（如图２ 所示）。 （Ｈ、Ｍ）和纬度有关。 － ｉ Ｔｏ■一 ＼ ；／／ 一 ０ ‘——一＼√／ 约８０ｍｉｎ— 图１陀螺罗经的阻尼曲线 ｒ … …． ………………、 Ｉ－～ ＼ ． ／Ｍ Ｈ （Ｅ） 图２陀螺罗经主轴运动轨迹 第５期 陈晓丽：陀螺罗经性能测试方法研究 ・４５５・ ２．３阻尼周期（ｄａｍｐｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ，ＴＤ） 陀螺罗经主轴作阻尼运动一周所需要的时间： ４ｘｌｔ ，，＇、 Ｄ一—７、／４ 彻ｃ＝ ｏｓ 一Ｃ 陀螺罗经的阻尼周期的大小与罗经结构参数 日、Ｍ（ ）、Ｃ（ＭＤ或 ）和纬度有关； ２．４阻尼因数（ｄａｍｐｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ，，） 陀螺罗经主轴作阻尼运动时，主轴偏离子午面 以东（或以西）的方位角 最大值与相继偏离子午 面以西（或以东）的方位角最大值之比： ／： ：竺：：…．旦 （３） ２ ３ Ｃ ＋１ 陀螺罗经阻尼因数厂的大小由罗经结构参数决 定，结构参数一定，其阻尼因数为定值。 各种陀螺罗经的阻尼因数厂可能不同，一般为 ２．５～４。阻尼因数厂也是决定陀螺罗经启动时间的 一螺向机罗自信陀航角 因素之一。 经整号２．５启动时间 力矩的作用下，罗经主轴的方位角 和高度角 不断减小，最终使方位角 为零，罗经主轴稳定 ＿］ 一 一Ｌ心计觚 ～指北。这种采用液体阻尼器获得阻尼力矩的罗经又 称为液体阻尼器罗经。 陀螺罗经的启动过程，陀螺罗经在控制力矩作 ８用下能够自动找北，在此基础上，在阻尼力矩作用 下，经过一定的时间就能够稳定指北。 陀螺罗经的适用纬度一般为８０。以下，否则罗 经指向精度降低或不能正常指向。 ３陀螺球性能测试平台设计 ３．１整体设计 根据上述分析陀螺罗经的主要性能指标，可以 看出通过实时记录陀螺罗经的输出航向数据曲线， 可以得到陀螺球的阻尼周期、阻尼因数、启动时间 等参数。为此，结合试验室陀螺球摇摆台，设计陀 螺球试验测试数据硬件平台，通过计算机采集航向 数据、实时日历时间，利用计算机自动分析陀螺球 的启动时间、阻尼周期、阻尼因数、摇摆试验特性 数据等指标。 整体试验数据采集平台采用ＬＰＣ１７６８单片机 为核心，使用轴角数字转换模块ＺＳＺ．１４模块将航 向模拟发送信号转换为数字信号，单片机将数据处 理分析并存储，将数据采集陀螺球的试验数据实时 分析，数字输出陀螺球的各项性能参数，实现无人 干预条件下自动实现陀螺球的性能鉴定和参数采 集，大大提高了陀螺球性能试验工作效率。整体硬 件结构如图３所示。 一——＿ 液晶显示（显 日历时钟ｌ！妾 ‘ 篙富参 ）～ 鏊 人机接口 （键盘接口） 一 ～数据存储器 图３陀螺球试验测试平台数据采集硬件结构图 ３． 一２硬件平台设计 陀螺球试验平台数据采集与控制的硬件平台， 以ＡＲＭ单片机ＬＰＣ１７６８ 和自整角机轴角采集模块 ＺＳＺ为核心以及其他辅助电路组成。ＬＰＣ１７００系列 ＡＲＭ是基于第二代ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ．Ｍ３内核的微控制 器，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗 的３２位微处理器，适用于仪器仪表、工业通讯、 电机控制、灯光控制、报警系统等领域。其操作频 率高达１２０ ＭＨｚ，采用３级流水线和哈佛结构，带 独立的本地指令和数据总线以及用于外设的低性 能的第三条总线，使得代码执行速度高达 １．２５ＭＩＰＳ Ｈｚ，并包含１个支持随机跳转的内部预 取指单元。ＬＰＣ１７００系列ＡＲＭ增加了一个专用的 Ｆｌａｓｈ存储器加速模块，使得在Ｆｌａｓｈ中运行代码能 够达到较理想的性能。 ＺＳＺ自整角机／数字转换模块是一种采用跟踪 转换技术和模块化结构的数字化器件，它应用二阶 伺服回路，输出与ＴＴＬ电平兼容的并行自然二进制 码，测量精度达到０．０１。，兼容性好。ＺＳＺ自整角机 ／数字转换器与ＰＣＬ一７３０ Ｉ／Ｏ模块配合，经计算机对 信号的采集、处理，得到相应的角度数值，使数字 萋｝第５期 陈晓丽：陀螺罗经性能测试方法研究 ・４５７・ ３．３软件设计 性能，结合理论分析数据总结得到了陀螺球性能测 试的理论基础和测试指标，最终提出了一种基于３２ 位单片机ＬＰＣ１７６８的计算平台，将陀螺球试验平台 数据实时采集，并对数据进行实时分析、存储，最 终根据所采集到的陀螺球性能测试数据得到陀螺 球的启动时间、阻尼周期、阻尼系数、摇摆振动试 系统主程序是以嵌入式操作系统ｕＣ／ＯＳ—ＩＩＶ ２．８６为核心，在ＬＰＣ１７６８硬件平台上的移植，设计 轴角数字转换程序、航向数据处理、数据对外发送、 数据存储、ＲＴＣ时间处理等子任务。利用嵌入式操 作系统对各个子任务进行调度执行，实时对航向数 据进行采集，可以有效发挥ＬＰＣ１７６８的强大处理能 力，提高了数据处理效率。最终航向数据发送格式 验数据等性能指标，最终将所得到的试验数据通过 液晶显示模块显示，并可以数字输出所试验的陀螺 球的性能指标。通过该陀螺球测试平台的设计，大 大提高了陀螺球性能测试水平，提高了测试数据的 精度，并对测试数据可以实现历史追溯跟踪，最终 实现了陀螺球试验平台的自动化检测。 参考文献： ［１］ 陆永平，岑文远．感应同步器及其系统［Ｍ］．北京：国防 工业出版社．１９８５． 采用ＮＭＥＡ０１８３格式，通过ＲＳ４８５总线将航向数 据对外发送。 航向数据处理子任务是整个软件系统最为核 心的子程序，也是实现陀螺球性能自动鉴定的核心 程序，本程序实时对所采集到的当前航向信息进行 分析，查找航向峰值点时间、阻尼周期、航向变化 规律、纵倾摇摆时航向变化等数据，通过对航向数 据的实时分析得出陀螺球的性能指标，实现自动鉴 定 陀螺球试验数据的功能。 ［２】 浦昭邦，王保光．测控仪器设计［Ｍ】．北京：机械工业出 版社．２００１． ［３】ＬＰＣ １ ７６８ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ［Ｍ】．ＮＸＰ，２００９． ４结论 本文通过分析陀螺罗经的主要原理以及主要 ＾＾＾＾ ＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾扎＾＾＾ ［４】 妖天任，孙洪．现代信号处理［Ｍ］．武汉：华中科技大学 出版社，１９９９． ．＾＾．＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾．￣ａｅｔ＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾ ＾＾ ＾． （上接第４６３页） Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｈｉｄｉｎｇ Ａ Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＩＥＥＥ， １９９９，８７（７）：１０６２￣１０７８． ３结论 高速数据链隐蔽通信系统提升了军用无线电 设备传输信息的安全性，本文介绍了高速数据链隐 蔽通信发展现状及其关键技术，有利于指导高速数 据链隐蔽通信系统的设计和实现。 参考文献： ［１】Ｆａｂｉｅｎ Ａ Ｐ Ｐｅｔｉｔ ＣＯ ｌａｓ，Ｒｏ ＳＳ Ｊ Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｍａｒ ｋｕｓ Ｇ Ｋｕｈｎ． ［２】杨森斌．音频信息隐藏技术与应用研究［Ｄ］．西安：西安 通信学院．２００８． ［３】余先刚，骆炜，韩占芬．一种基于小波变换的自同步音 频盲水印技术［Ｊ］．西安通信学院学报，２００７，６（２）：１．３． ［４］闫佩君，钱聪．基于分形维数的语音信息隐藏方法［Ｊ］． 现代电子技术，２００６，２９（２３）：４８．５０
