分子电子传感器的陀螺寻北仪研究

王磊 赵威

摘 要：为顺应社会的发展要求，研究开发出一种成本低、精度高、寻北速度快、稳定性好的寻北仪是一个比较亟待解决的问题。而不包含任何精密机械零件或弹簧，并且制造比较简单和便宜的分子电子传感器，可以解决传统寻北仪依靠精密机械零件和相关传感器的影响。本文首先概述了寻北仪的国内外研究现状，并介绍了分子电子传感器原理，以及在寻北仪器中的应用。

关键词：分子电子传感技术;寻北仪;MET传感器

1.引言

随着科学技术的快速发展与社会经济的不断进步，各领域对寻北仪的要求也越来越高。由于传统寻北仪定位精度、体积形状以及周围环境的影响等限制，已经不能满足前沿科技的需求。尤其在现阶段，军事、航天、航空技术的大力发展、交通发展所带来的隧道挖掘、大地测量，以及能源需求所带来的油气探测、矿山开采。所以，开发出一种成本低、精度高、寻北速度快、稳定性好的寻北仪是一个比较亟待解决的问题。

2.国内外研究现状

寻北仪主要分为陀螺寻北仪和非陀螺寻北仪两大类，其中国内研究的惯性寻北技术主要在调动陀螺方面。基于旋转调制技术的陀螺寻北技术是白云超所介绍的一种寻北技术，该技术需要在输出信号平稳可用的前提下，即通过保证小型精密转台的旋转来稳定精度，而能够保证这样苛刻的条件却很少，所以这点就限制了该技术的推广与运用[1]。贾智学所进行的挠性陀螺寻北仪解算方法研究，利用相比较其他类型陀螺有体积小、成本低的挠性陀螺，进行误差模型的建立，得到该高性价比的陀螺寻北系统只能够满足中低精度寻北精度的需求[2]。薛海建也提出過一种任意二位置陀螺寻北模型，该模型利用一种可调双参数的阈值函数提高寻北精度，这种消噪函数不需要分段取值，简单的表达式可以较大的提高计算速度，在一定程度上节省了寻北的时间[3]。在光纤陀螺寻北仪中，李险峰通过加速度对摆动角进行补偿，使得即使在剧烈摆动的情况下，也能得到比较稳定的寻北结果[4]。随着时间的推移，我国在寻北领域里已经有了很大的提升，与发达国家在系统精度与稳定性的差距也变得越来越小。

国外在惯性技术上有着较为深入的研究和应用，相比较国内的寻北技术，国外对磁技术与寻北仪之间也进行了结合，并实现了较高精度的寻北，其中比较著名的有一种低频磁寻北技术以及在磁寻北技术上研究出口的一种便携式跟踪系统。在当今工程中应用比较广泛的陀螺精确寻北方法也是利用磁技术所进行的，该方案是根据磁方位来确定陀螺经纬仪的原始方位，在这基础上再进行精确的陀螺寻北[5]。除了磁技术在寻北上的应用，国外还有利用旋转矢量进行误差补偿，进而研究出一种基于嵌入式微处理器的寻北系统，随着对旋转更深层次的研究，更是对在锥运动条件下的算法进行优化，进一步减小误差影响，提高寻北精度。

根据上面的描述，可以清楚的了解到国外的主要深入的研究方向使惯性技术，而国内在陀螺寻北技术中有着较多的研究。但是随着各领域现代化程度越来越高，原来研究方向的寻北系统研究已经达到了瓶颈，寻找新的方向进行寻北技术的提高已经迫在眉睫。

3分子电子传感器

现阶段，分子电子传感技术在国外的研究较少，在国内几乎没有，2014年国外曾发表了一篇基于分子电子传感技术的微型地震仪，经过仔细的研究之后，发现分子电子传感器（MET）相比较其他惯性传感器，该传感器利用的是液体电解质作为惯性质量。因为利用的是分子电子技术，区别于其他高精度的传感器，不需要精密的弹簧和机械零件，这会大大的降低制造成本。相比于现阶段的尖端寻北技术中光纤陀螺仪和环形激光陀螺仪，分子电子传感器本身所具有的低噪声以及高信号放大率使得能够它们能够在同一级别上[6]。

根据资料查询了解到，将分子电子传感技术应用到寻北仪上，在国内是较为前沿，在国外也是处于研究阶段，因为在全世界上整个分子电子传感技术的研究成熟是近几年才有的突破性发展，所以在寻北仪上运用分子电子传感技术有着重要的意义。借助于MET电化学传感器的非磁性方位检测，无电磁干扰和偏差的影响;结合高灵敏的角传感器，还有独特的校正算法，具有较高的集成性，可与现有的一些探测设备和仪器进行集成开发，也可单独开发成导航寻北仪器。

基于分子电子传感技术制作的传感器，因其传感器内部采用电化学原理，具体低功耗，且能降低成本。在实际应用中受噪声干扰小，且精度更高，符合高精尖领域的寻北仪开发要求。与现有的很多商业传感器相比，具有明显优势。

4.分子电子传感技术在寻北仪器中的应用

基于分子电子传感器的寻北仪系统与现有MEMS陀螺仪、石英传感器寻北仪系统等相关寻北系统结构原理不同，因此进行系统开发设计也不相同，以下是具体设计内容：

基于MET的寻北仪系统研究，主要内容包括三部分，一部分是支撑整个系统实现的硬件系统，其主要包括实现系统功能所需要的所有精密器件和平台（具体包括分子电子传感器、A/D转换等），以及所需的驱动系统。而软件部分，主要包括整个系统实现的软件界面和功能实现展示，以及实现这些功能和软件界面的代码编程。第三部分主要是具体算法实现，一方面是进行功能应用开发的算法，另一方面的用于精度误差优化的算法，具体包括建模分析等。

硬件部分主要发挥数据的采集、传输等作用，同时执行软件部分所发出的指令，以及算法部分的功能实现。硬件部分的开发涉及内容包括芯片的选型、整体系统的元器件内容开发设计，控制平台的机械误差加工优化。

5.总结

随着军事等高精尖领域的现代化发展，以及当前严峻的国际形势下，相比较之前的寻北技术，研究出一种低成本、快速、高精度陀螺寻北装置，并且有着较高发展潜力的新方向已经成为了亟待解决的问题。分子电子传感技术就是在寻北技术领域拥有较高潜力的新方向，因其器件的特殊性能，使它具有高精度，稳定性好，低功率消耗，低的测量时间，低成本，小体积，较高的集成性，也能完全独立工作等多方面优势。

参考文献

[1] 武俊兵. 基于MEMS陀螺仪的寻北定向关键技术研究及其系统实现[D].电子科技大学，2015.

[2] 贾智学，张小凯，任佳婧.挠性陀螺寻北仪解算方法研究[J].航天控制，2017，35（01）：82-85.

[3] 薛海建，郭晓松，周召发，魏皖宁.激光陀螺任意二位置寻北仪及误差分析[J].红外与激光工程，2015，44（06）：1784-1789.

[4] 李险锋，杨海忠.基于四位置法旋转调制寻北仪的轴向摆动分析[J].科学技术与工程，2012，12（29）：7799-7802.

[5] 王亚江. 自动陀螺经纬仪高精度定向研究及软件开发[D]. 解放军信息工程大学， 2012.

[6] 刘晓庆. 基于双输入/输出双环谐振慢光角速度传感器的研究[D]. 天津工业大学， 2018.

作者简介：王磊，男，汉族 ，山东省烟台市人，成都理工大学本科生，研究方向：人工智能、区块链应用等.

项目基金：2019年国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201910616012.