智能软件测姿测向仪

　　从古至今,掌握了解方向和测定确定方向以及测量确定姿态,是人们从事日常活动时需要掌握的重要参数。早年测定方向的工具是机械测向装置，如指南针、罗盘等。测定姿态的工具是机械测姿装置,如水泡水平仪。有了电气器件和电子技术以后，测姿测向装置发生了变化，有了电子陀螺、电子测向仪和电子倾角仪等。电子测姿测向仪发展到今天，因计算机技术和微电子技术的发展,其性能的提高开始依赖于软技术，即依靠算法和软件。本文根据测姿测向装置发展的上述脉络,介绍了测姿测向仪发展中的设计理念及应用状态。

　　1机械测姿测向装置

　　典型的机械测向装置是指南针（见图1)。指南针的始祖是司南，司南是由天然的磁铁矿石打磨提炼成杓形后将其放在有方位刻度的圆盘上指示方向的装置(见图2)。由于天然磁石琢磨成司南杓,成品率低,磁性弱，转动时与圆盘接触产生的摩擦阻力较大，指南的效果往往会受到影响2。在以后漫长的历史岁月里,经过人们不断的改进和摸索，司南杓演变为简便的针形,天然磁石制作发展为人工磁化,从而使磁针的磁性更强,磁针转动时的摩擦力越来越小,使得指南针的准确性得到了极大的改善。

　　虽然指南针有辨别方向的功能，但是存在不少不足之处。比如指针稳定性差，指针定向稳定所需的时间较长;方向度数的判断依赖人的经验和视角，出现误差的可能性较大;生产制作过程中会产生机械误差;在建筑物里或者在周围磁场强的情况下，产生的误差变大;抗干扰能力不足。

　　还有一类机械测向装置是罗盘。罗盘是在指南针的基础上发展而来的，其功能要比指南针多。指南针侧重于指示方向，罗盘刻度更精密，能示意详细的角度,还有测量及示意倾角等功能。

　　典型的机械测姿装置是水泡水平仪（见图3)。水泡水平仪利用水、水银和酒精等液体的液面能保持水平这一特性，以液面为基准实现姿态测量。这种原始的检测方法有诸多缺点：仅仅依靠肉眼观察水泡的位置来估计测量值会导致测量误差偏大；水泡水平仪只能完成特定环境下的角度测量,功能较为单一；靠观测水泡的位置来估计角度也导致其测量的范围较小。

　　总的来说,机械式测姿测向装置简单,成本低,容易操作,但其往往也有很多不足，如定位不准、不灵活、易损坏等。

　　2电子测姿测向仪

　　电子技术的发展和广泛应用使测姿测向装置发生了变革，出现了无线电测向仪、电子陀螺仪、电子倾角仪和电子罗盘等测姿测向装置,由使用机械装置测向发展为应用电子技术辅助,或用电子技术实现测姿测向。下面以电子倾角仪和电子罗盘为例加以说明。

　　电子倾角仪的测量范围可达±90°,测量误差小于0.1°,可满足大多数工程应用要求。它与传统的水泡水平仪相比，具有电子检测、即时显示、精度高、量程宽、使用及携带方便等特点,完全脱离了传统的看水泡移动估计倾角值的测量方法，大大提高了工作效率。此外，由于电子倾角仪输出的是数字结果,所以它可以结合其他数字设备,组成一个功能更强大的仪器3。

　　电子倾角仪的工作原理是预先设置基体中轴旋转的某一方向为正方向，当轴沿此方向旋转时，计数增加，当轴沿相反方向旋转时,计数减少。电子倾角仪的计数与倾角仪的初始化角度有关。初始化倾角仪时,其值通常会设置为0。在这种情况下，通过计算旋转的角度,倾角的位置就能够轻易地检测出来。

　　电子倾角仪的硬件主要由倾角传感器、A/D模块、单片机模块和显示模块4大部分组成。其结构组成如图4所示。

　　其中,倾角传感器是整个电子倾角仪的关键部件，经常用于系统的水平测量。倾角传感器作为测试单元输出电压信号,从工作原理上可分为“固体摆”式“液体摆”式及“气体摆”式3种。倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量[4]。A/D模块的作用是将电压信号由模拟量转换为数字量。单片机是整个系统的核心部件,主要负责接收A/D模块输出的数据,并对其进行处理。显示模块则是人机交互的通道,可以通过显示模块直观地读取倾角仪最后的计算结果。

　　电子倾角仪操作的主流程如图5所示。

　　电子罗盘姿态角测量的基本原理是根据地磁场的水平分量指向磁北的特性，利用磁场传感器可以获得磁航偏角，在非水平状态下，需要倾角仪提供电子罗盘的姿态角，根据倾角补偿算法得到地磁场水平分量阵列,从而根据三角函数解算得到磁航偏角；在静态情况下,加速度传感器可以准确地测量重力加速度在载体坐标系上的分量阵列，进而解算出电子罗盘的姿态角。典型电子罗盘装置的组成如图6所示。

　　如图6所示，电子罗盘主要包括3大模块:传感器模块、数据采集模块和姿态航向解算模块。三轴加速度传感器负责采集三维空间中的加速度分量，三轴磁阻传感器负责采集地磁场分量。但是由于磁阻传感器输出的电压信号很微弱（只有mV级）,所以必须通过运算放大器将其放大后经A/D转换器转换为数字信号。将转换后的数字信号送入微处理器进行实时的姿态矩阵计算,最终将得到稳定的姿态参数,通过串口在上位机实时输出。

　　在传统的导航定位中，载体坐标系和当地水平坐标系之间的转换关系可以通过3个姿态角参数（航向角、俯仰角和横滚角）来表示。其中航向角a为载体纵轴在水平面内的投影与地理北之间的夹角；俯仰角Y为载体横轴和水平面之间的夹角；横滚角为绕载体纵轴的旋转角。

　　电子罗盘与传统机械式、指针式和平衡式罗盘相比具有体积小、精度高、成本低及稳定可靠等优点可作为GPS、陀螺仪等导航手段的补充,被广泛应用于导航仪器和姿态传感装置中，其测量精度直接影响到系统的性能。该技术已经成功用于小型无人机、手持通信终端、便携式通信终端等设备，被广泛运用在航空、航海和移动车辆快速定向定姿领域。

　　除了电子倾角仪、电子罗盘以外,还有多种电子测姿测向仪,如无线电航向仪、无线电测向仪以及电子陀螺等，其中无线电航向仪需要利用高频无线电信号,很容易受到电磁波的干扰。

　　3软件测姿测向仪

　　随着计算机技术的蓬勃发展和嵌入式微电子器件的广泛应用，机械装置以及电子机械装置发生了深刻的变化。如上述电子罗盘中就运用了数字处理设备来提高机电性能。下面以利用卫星导航信号实现测姿测向为例加以说明。

　　3.1基线方向矢量的测量原理

　　这类利用卫星导航信号实现测姿测向的装置与以往的测姿测向仪不同，它不直接去测方向，而是通过2个或多个天线接收卫星导航信号，对多路信号进行载波相位比较,求出相位差,利用这些相位差去反演求出天线间基线的方向来示意方向及姿态。这类主要通过算法及软件进行测姿测向的装置称为智能软件测姿测向仪,其测量原理如图7所示。图中：S(j)为接收机观测到的编号为j的卫星；A^}2)为2个接收机到j号卫星的伪距差。

　　众所周知，高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值来实现,GPS/BDS基线矢量的测量就是通过载波相位差分的方式来实现的。因为连接在载体上的GPS/BDS基线都比较短（多数为几十厘米到几米之间），利用载波相位差分技术能够消除绝大部分的误差。下面以单基线为例加以介绍。GPS/BDS卫星的载波信号到达2个天线时可被视为平行波，这时2个天线接收的载波信号间的相位差为

　　从式(6)可以看出，测得两天线接收的卫星载波信号间的相位差以后，只需要知道一组正确的整周模糊度見就能够通过解算得到未知基线矢量。求解整周模糊度较为著名的算法有最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法（FASF)等。在这些搜索算法中，被广为接受的LAMBDA算法不仅有较好的性能，而且其理论体系比较完善。选择合适的整周模糊度求解算法就可以解算出基线矢量b。将b进行坐标转换,得到基线矢量bBFs(载体坐标系）、blls(地理坐标系）和两基线矢量的变换矩阵，姿态角就可轻易地解算出来。

　　3.2GPS/BDS姿态测量的观测方程

　　因为GPS/BDS载波频率高、波长短，这使得载波相位测量具有很高的测量精度（可达到mm量级），因此GPS/BDS测姿通常采用载波相位测量技术。

　　载波相位测量过程中存在诸如电离层误差(pion)、对流层误差(ptroP)、卫星钟差和星历误差（va)、接收机钟差（vb)、观测噪声（v)等误差源（多径误差暂不考虑）。因为存在着多种误差源，载波相位的测量方程可用下式来表述：

　　4结束语

　　从测姿测向仪的发展历程可见，仪器设备经历了从最初的机械测姿测向发展到利用电子技术的电子测姿测向的过程。计算机技术及软件技术的飞速发展，特别是嵌入式器件的发展和广泛应用，使电子机械装置发生了变革。那就是利用软件技术来扩展机电设备和装置的功能，来提升机电设备和装置的性能，甚至可以用嵌入式器件及软件来代替机电设备，称为机电功能的软件实现，具有简单、方便、灵活、智能等特点。

　　                                                    魏彦飞3,耿建平1,施浒立2，

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004;2.中国科学院国家天文台，北京100012；3.北京日月九天科技有限公司，北京100012)