非陀螺尋北儀信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高精度尋北儀可以分為傳統(tǒng)的陀螺儀尋北儀和非陀螺尋北儀兩類。利用陀螺儀尋北的方法受陀螺儀本身的精度和成本的限制，很難做到高精度和低成本并存。而利用高精度的加速度計(jì)研制非陀螺尋北儀則可突破這一局限，并可實(shí)現(xiàn)高精度、自動(dòng)化、快速化尋北，從而成為尋北儀研究的一個(gè)新的技術(shù)方向。許多參考文獻(xiàn)對(duì)該尋北原理和信號(hào)處理的方法進(jìn)行了大量的仿真研究，但對(duì)電路的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究的較少，本文是進(jìn)行該尋北儀電路構(gòu)成的設(shè)計(jì)。

1 非陀螺尋北原理
非陀螺尋北的原理是將一只加速度計(jì)安裝在恒速轉(zhuǎn)臺(tái)上，以轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的某個(gè)切點(diǎn)為參考點(diǎn)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))，其切向速度與地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生哥氏加速度。通過轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)調(diào)制，地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量與該點(diǎn)上切向速度復(fù)合生成的哥氏加速度輸出為一正弦信號(hào)，利用高精度的石英撓性加速度計(jì)檢測出該正弦信號(hào)的峰值所對(duì)應(yīng)的相位，即為地球上所在位置的正北方向，從而實(shí)現(xiàn)尋北。其基本原理如圖1所示。

設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為Ω，加速度計(jì)測量軸IA垂直向上，距離轉(zhuǎn)臺(tái)軸的偏心距為ρ，ωN為地球速率的北向分量。
加速度計(jì)實(shí)際輸出為：
a=f+FMcos(Ωt-ψ)+ω (1)
式中：f=-g+a0，a0為加速度計(jì)的零偏，g為重力加速度；ω為輸出噪聲；FM=2ΩoωN，為最大Coriolis加速度；ψ為轉(zhuǎn)臺(tái)的初始方位角。
上述信號(hào)的直流部分通過交流放大器可以濾掉。已知10和ωN為常值；另外，通過鎖相回路將編碼器和電動(dòng)機(jī)閉環(huán)，使Ω保持恒定，所以FM為常值。利用編碼器的基準(zhǔn)脈沖，對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行同步檢波，就能計(jì)算出初始方位角ψ。設(shè)：