陀螺经纬仪快速寻北的算法研究

论文摘要

陀螺经纬仪的寻北测量不受气候条件、地磁场和其它磁场的影响,在任何时间和地点(南、北极除外)可以进行全天候的自主寻北测量,它已经成为工程测量和军事领域中用于定向的主要仪器之一。传统的陀螺经纬仪大多采用人工操作,工作繁重、测量时间长、随机误差较大。为了实现仪器工作的自动化、开发高精、快速寻北算法,本课题设计了一套基于PC机的陀螺仪自动寻北测量系统。该系统分为陀螺经纬仪、数据采集和测量软件三个部分。陀螺经纬仪是进行寻北测量的信号源。数据采集部分为系统的硬件,其实现过程是CCD采集陀螺灵敏部光标信号,单片机进行预处理,后经USB口传送至PC机做进一步处理。测量软件指PC机中寻北软件,它实现了数据接收、智能诊断、曲线显示、数据拟合、结果计算、数据量保存和灵敏部上托、下放控制等功能。在PC机寻北软件中,设计出了面向对象的人工操作、显示界面,不仅使仪器操作变得简单,还可以实时显示光标运动的当前位置和整个运动曲线,使观察更方便。对灵敏部运动的智能诊断,能够及时发现问题减小损坏仪器的可能性。USB接口应用的广泛性,被用于实现硬件与PC机之间的数据通讯。对实验数据的拟合,有效减小灵敏部下放后因抖动而产生的随机误差。系统中还集成了多种寻北算法:加速度寻北法、中天法、实时中天法、周期积分法、1/4周期法、数据库查询法,它们各有利弊,使用者可以根据不同的要求选择不同的算法以达到最佳效果。系统中新添加的数据库查询法是在原有实验数据基础上开发的,它不仅实现过程简单,还使陀螺仪在寻北时间为3分钟时精度达到了1 9′′,相较其它各种算法均有明显的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 陀螺经纬仪的发展动态
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 陀螺经纬仪基本原理
• 2.1 陀螺经纬仪基本结构
• 2.2 陀螺的基本特性
• 2.2.1 进动性
• 2.2.2 定轴性
• 2.2.3 陀螺反力矩
• 2.3 陀螺仪的寻北原理
• 2.4 陀螺仪的光路分析
• 2.4.1 陀螺仪光路系统
• 2.4.2 光路分析
• 第三章 基于PC 机的陀螺寻北测量系统
• 3.1 数据采集部分
• 3.1.1 CCD 图像传感器模块
• 3.1.2 A/D 和单片机模块
• 3.2 PC 机中测量软件设计
• 3.2.1 功能选择模块
• 3.2.2 通讯模块
• 3.2.3 数据处理模块
• 3.2.4 算法模块
• 3.2.5 显示、保存模块
• 第四章 陀螺经纬仪的寻北算法研究
• 4.1 加速度寻北法
• 4.2 中天法
• 4.2.1 中天法原理
• 4.2.3 实时中天法
• 4.3 积分法
• 4.3.1 积分法原理
• 4.3.2 1/4 周期积分法
• 4.3.3 整周期法与1/4 周期法的实验比较
• 4.4 数据库查询法
• 4.4.1 原理分析
• 4.4.2 程序实现
• 4.4.3 对比实验
• 4.5 各种寻北算法的比较
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢