数字方位仪设计与实现＊

朱道宗 范 邹

（海军驻九江地区军事代表室 九江 332007）

1 引言

光学方位仪和方位分罗经［1］是舰船导航系统［2］必配的设备，两者联合使用来测定目标（或天体）的方位或舷角，可用来标校磁罗经［3］、平台罗经［4］、电罗经和计程仪［6］等。由于方位分罗经体积大、重量重，又不易拆卸，在潜艇上使用还必须加装水密套筒，既占空间，使用起来也不太方便。为此设计一型舰艇用数字方位仪，将光学方位仪和方位分罗经合二为一，在保持原功能不变的前提下，力求便于使用、携带和装卸。

2 主要工作原理

目标舷角的生成：定圈与舰艇艏艉线固连，零位方向与舰艇艏艉线平行，动圈与望远镜固连，这样望远镜转向目标时，将带动舷角发生器转动，形成舷角α并显示。

接受来自罗经或惯导航向数字信号K并显示，与舷角α相加后得到目标方位角β并显示。

当望远镜目标瞄准线对准目标时，观测者按动锁定按钮，其航向K、方位角β即暂时锁定在显示屏上。再次按动锁定按钮，恢复正常航向和舷角显示。

3 硬件设计

数字方位仪主要由望远镜、数字处理电路和安装支架等组成。

3.1 望远镜设计

望远镜是由物镜、滤光片、斯密特棱镜、分划板和目镜组成。水准器通过显微物镜成像在物镜的分划板上，通过目镜能在同一视场内观察到。物镜是由双胶合镜片组成。滤光片是由暗色、蓝色、橙色、无色滤光片组成。为了观察方便，光路内加了斯密特屋脊镜，使光路能向上折转45°，且所成的像为正像。为了能清晰的看清目标，目镜采用对称式结构；为了适应不同屈光度的观察者，目镜上有视度调节机构。为了在望远目镜的视场内清晰地观察到水准器的情况，在分划板的下方安装水准器、显微物镜、半五角屋脊棱镜、发光二极管，使水准器的像清淅地成在望远目镜的分划板上。水准器与竖轴成垂直安装。为了满足视角要求，在望远物镜前方安装带有反光镜的支架，支架前端有两片平行的镜片，一片为银白色，一片为黑色，旋转反光镜的手轮，可以使反光镜转动。反光镜的高低位置可以通过反光镜支架进行移动，使在0°～40°范围的目标进入视场。

3.2 数字处理电路设计

数字方位仪电气工作原理框图如图1所示。

图1 数字方位仪电气工作原理框图

微处理器采用微芯公司的PIC16F系列的芯片，该类芯片内置多通道10位A／D转换器，可方便地应用于光栅信号细分处理上，同时省去外置A／D转换器以简化电路，以缩小电路板面积。

精密光栅盘输出4路相位差90°的正弦波信号，该信号经整形电路整形成方波送至微处理器，进行四细分计数。同时也将正弦信号送至微处理器，用片内A／D转换器将正弦信号转换为数字量后，对数值进行分析并进一步细分，将细分数据与四细分计数值相结合就可以得到高精度的转角位置数值。通过预定义起始点（在艏艉线上）就可以得到需要的舷角，最后和接收到的航向做运算就可以得到最终需要的方位角数据，由荧光显示器显示。舷角发生器艏艉线清零采用左右舷分别清零办法。即数字方位仪在舰上安装后，方位仪瞄准舰艏标竿，若方位仪在左舷，按左校零键，若方位仪在右舷，按右校零键（注意：每次安装使用，必须首先校零）。锁定按钮设在仪器的后上方，以方便操作。

电源部分采用开关电源工作方式的小功率DC／DC直流转换模块电源，比老式的线性稳压器效率高，发热少，且具有电源隔离效果，提高整体电路抗干扰的能力。

显示器为真空荧光显示器，具有对比度高，工作温度宽的特点，比普通的液晶显示器更容易观察和读数。

3.3 安装支架设计

数字方位仪外形结构图见图2，数字方位仪安装底座图3。安装支架的结构是采用万向节的原理，实现数字方位仪可方便调整为水平测量状态。安装支架由底座、固定板、十字联轴节、活接、弹簧等组成。底座固定在舰艇的甲板上，安装时用方位仪固定板上的凹面与舰艇上底座的凸面套合，拧紧左右紧固螺钉即可，拆装非常方便，可实现方位仪拆装小于60s的要求。

图2 数图字方位仪外形结构图

图3 数字方位仪安装底座图

4 软件设计

简要程序框图如图4所示。它不包含具体的子程序只是简要说明主程序的工作流程。当航向接收超时时，只显示错误提示，不显示其他内容，航向数据恢复正常后回到正常显示界面。方位角锁定后提示HOLD。

5 安装及使用

5.1 底座的安装

将底座焊接（或3-M8螺钉固定）在艇面上，焊接时可不考虑舰船艏艉线。

5.2 数字方位仪的安装

图4 简要程序框图

将数字方位仪从保存箱中取出，去掉外罩，安装时按照方位仪下面紧固螺钉的方向把方位仪固定板凹面与舰艇上底座的凸面套合，拧紧左右紧固螺钉即可，拆装非常方便。

5.3 数字方位仪的使用

数字方位仪在舰上安装好后，若在左舷，首先使方位仪水平对准舰艏标竿，按左清零按钮后，即可转入正常使用。方位仪瞄准目标后按动锁定按钮，目标方位即锁定在显示屏上，并有方位角锁定提示符HOLD。再次按动锁定按钮，转入正常显示航向及舷角，HOLD提示符消失。

5.4 数字方位仪的拆卸

数字方位仪使用结束后，应及时拆下，放入保存箱。拆卸方法为：一手扶牢方位仪，另一手将方位仪紧固螺钉松开，即可卸下方位仪，放入保管箱。

6 结语

数字方位仪将光学方位仪和方位分罗经的功能结合在一起，具有重量轻、装卸快捷、操作简单、方便携带的优点，特别适合于潜艇使用；在水面舰船上使用，由于不需长期安装在舱外，避免了日晒雨淋、需要经常保养维修的问题。总之，数字方位仪是一种值得推广使用的导航仪器。

［1］船舶配套设备选用手册［M］.江苏船舶杂志社，1998

［2］周永余，徐江宁，高敬东.舰船导航系统［M］.北京：国防工业出版社，2006

［3］杨兴民.“相互方位对测法”校正磁罗经［J］.天津航海，1990（3）

［4］孔德强，等.舰船平台罗经航向误差的标校［J］.中国航海，2009（1）

［5］徐欣.无线网络导航服务系统的设计与实现［J］.计算机与数字工程，2008，36（12）

［6］郑梓祯，蔡迎波，等.舰船导航系统试验与鉴定［M］.北京：国防工业出版社，2005