第一章 陀螺罗经误差及其消除
陀螺罗经的主轴在方位上偏离地理真北方向的角度称为陀螺罗经误差。陀螺罗经误差也是船舶真航向与陀螺罗经航向之间的差值或真北与陀螺罗经北之间的差角。陀螺罗经误差有纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差。
第一节 纬度误差 (latitude error)
一. 纬度误差产生的原因
在第一章讨论具有阻尼重物的液体连通器单转子式陀螺罗经时指出,在北纬φ处的静止基座上稳定位置为
??
???-=-=M H tg M M r D r 2ωθ?α （2－1） 由(2－1)式可见,位于北纬φ处的具有阻尼重物的水银器式罗经,稳定后罗经主轴并不恰好位于子午面内,而是偏离子午面一个角度αr ,当罗经的结构参数M 、M D 确定后, αr 角仅与地理纬度φ有关,故称为纬度误差。
以具有阻尼重物的液体连通器式罗经为例,分析纬度误差产生的原因消除方法。当罗经稳定后,罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,产生沿水平轴OY 负向的控制力矩M Y =-Mθr ,使主轴产生绕垂直轴OZ 正向的主进动角速度ωPZ ,主轴指北端向西主进动的线速度u 2= Mθr ,与位于北纬φ处因地球自转角速度垂直分量ω2的影响,使主轴指北端东偏的线速度V 2=Hω2等值反向,亦即u 2＝V 2。于是,罗经主轴相对于子午面获得稳定。由于罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,阻尼重物则产生与θr 角成正比的阻尼力矩M D θr 沿垂直轴OZ 作用,指OZ 轴的正向。因此,阻尼力矩M Z 将引起罗经主轴绕水平轴OY 的阻尼进动角速度ωPY ＝M D θr /H ,亦即主轴指北端以阻尼进动线速度u 3= M D θr 向下运动,罗经主轴不能在子午面内r 点稳定。欲使罗经主轴获得相对于水平面的稳定。只有借助于主轴相对于水平面的升降视运动的线速度V 1=Hω2α与阻尼进动线速度u 3的平衡。
为此,主轴指北端只有自子午面向东偏
离适当的方位角αr ,并满足条件:
???==r D r M H u V θαω131 （2－2） 即阻尼力矩M D θr 使主轴指北端向
下进动的线速度u 3与视运动线速度V 1
等值反向。在高度上获得稳定,如(图
2-1)所示。
不难看出,产生纬度误差的原因是
由于了采用垂直轴阻尼法。因此,纬度误
差是采用垂直轴阻尼法罗经特有的误差;它属于垂直轴阻尼法陀螺罗经固有的特性。
二. 纬度误差的消除方法
为了提高陀螺罗经的使用精度,应想方设法对纬度误差进行补偿,最好完全予以消除。实践中,对纬度误差的补偿方法有两种——外补偿法和内补偿法。
水平面
(1)外补偿法,是利用一套解算装置,根据误差公式计
算出误差的大小和符号,从罗经的航向读数中扣除误差的
方法。可通过转动基线或罗经刻度盘,使基线与转动的角度
等于误差值,或罗经刻度盘使其转动的角度与纬度误差αrφ
等值反向,从罗经刻度盘上读取的航向即为不包含误差的
真航向。需强调指出,外补偿法仅从罗经刻度盘中扣除误差
值,并未改变罗经主轴的稳定位置。
(2)内补偿法或称力矩式补偿法,是利用一套解算装置,
计算并输出与误差相关的补偿力矩,抵消引起误差的力矩，
使主轴可稳定在子午面内,从根本上消除了误差的方法。
在实践中纬度误差内补偿方案有两种:对陀螺罗经的
水平轴OY 施加纬度误差补偿力矩,即M Yφ＝Hω2；或对罗经的垂直轴OZ 施加纬度误补偿力矩,即M Zφ＝εHω2。在Sperry MK37型罗经中采用垂直轴内补偿方案（ε＝（M D /M ））。在阿玛—勃朗10型罗经中采用水平轴内补偿方案。
需要说明的是，补偿力矩的符号是与罗经所在纬度极性有关的，如将符号取反，不仅不能消除误差，反而使误差增大一倍。因此，使用罗经时应正确判断纬度极性。
第二节 速度误差(speed error)
在第一章中所讨论的陀螺罗经稳定位置都是建立在罗经基座为静止状态。但是一部罗经总是要随船运动,即基座不是静止的。基座的运动会使罗经主轴的牵连运动速度发生变化,结果必然引起罗经稳定位置发生变化。使罗经产生了新的误差——速度误差。船舶以恒向恒速运动时，陀螺罗经主轴的稳定位置，与航速为零时主轴的稳定位置二者在方位上的夹角称为速度误差。速度误差是与船舶速度、航向和地理纬度有关的指向误差。注意,速度误差仅指船舶作恒向恒速运动时出现的指向误差,不考虑任何加速度的影响。
一. 船舶恒速恒向航行时的旋转角速度
船舶恒速恒向航行时，航速V 在子午圈和纬度圈之切线上的分量为
???==C V V C V V E
N sin cos （2－3） 式中V N 及V E 分别称为船舶航速的北向分量和东向分量,C 为船舶真航向,V N 使地理坐标系绕OW 轴以角速度V N /R e 作相对心的转动,其角速度矢量将指OW 轴正向。V E 使地理坐标系绕地轴P N P S 以角速度V E /R e cos φ转动,其角速度矢量将指向地球北极,与地球自转角速度ωe 同向。
由此得到包括地球自转和船舶作恒向恒速航行在内的牵连运动角速度在地理坐标系ONWZ 0各坐标轴上的分量（如图2-3）为
????
?????+==+=?ωωωωωtg R V R V R V e E Z e N W e E N 210 （2－4） 上式表明水平面将以ωN 绕ON 轴旋转，如
图2－2 图2－
3
陀螺罗经主轴不指北而存在一个方位角α，将产生高度上的东升西降视运动线速度αω)(11e
E R V H V +=；子午面将以绕OZ 0轴旋转，引起陀螺罗经主轴方位上的视运动。 二. 速度误差的物理实质及其特性
1.物理实质
我们以液体阻尼器陀螺罗经为例来阐述其产生速度误差的物理实质,如图2-4所示。在φN 处,假设船舶以航速V 偏北航向C
在地球表面上航行,在时间t 1船舶位
于A 1位置,陀螺罗经主轴的稳定位置
位于r 1点。经过某一时间后在时间t 2,
船舶位移A 2。由于船舶存在航速的北
向分量V N 船舶所在的水平面将以角速
度ωW =V N /R e 绕地心转动,其角速度指
OW 轴的正向,即指西方。由于定轴性,
罗经主轴保持它在空间的指向不变,
在船舶上的人们发现罗经主轴相对船
舶所在的水平面上升,上升的线速度
为V 3=H (V N /R e )。显然,罗经主轴在r 1
处的稳定条件被破坏,欲使罗经主轴
仍能获得稳定,则必须有一个大小与
V 3相等而方向与之相反的视运动速度
与V 3平衡。为此,罗经主轴则必须自
子午面向西偏离一个方位角αrv ,以便
产生向下的视运动线速度V 1,当罗经主轴自子午面向西偏离的方位角αrv
合适时,V 1=V 3，满足下列等式
e N rv e E R V R V =+αω)(1时,则罗经主轴将获得新的稳定位置r 2,此时
C V R C V R C V R C V e e e
e rv sin cos cos sin cos 1+=+=?ωωα （2－5） 这就是速度误差的计算公式。
对于航行在中纬度的船舶,由于VsinC ?R e ωe ＝900kn ，1弧度＝57.3°因此,速度误差公式尚可进行简化:
?
π??ωαcos 5cos 3.57cos 900cos cos cos C V C V R C V e e rv =??==(度) （2－6） 2.速度误差的特性
从速度误差公式看出它具有下列特性:
图2－4
r 1
r 2
①速度误差仅与船舶
航速V ,航向C 及所在地
纬度φ有关,与罗经结构
参数无关,因此只要船舶
运动,任何类型罗经都有
这种误差,是一原理性误
差,是所有陀螺罗经的共
性之一。
②速度误差随船速而变化,船速V 越大,速度误
差越大;反之亦然。
③由于cosφ随纬度φ的增高而减小,因此φ增高时,速度误差增大；若φ高过70°时, R e ωe cosφ变得很小，与VsinC 可以比拟，简化公式（2－6）计算精度降低，应采用完整公式（2－5）计算速度误差。
④速度误差随船舶航向C 而变,在0°和180°航向上,即正北正南时,速度误差最大;在90°和270°航向上,即正东正西时,速度误差为0,在0°～90°,270°～36矿区间内,即偏北方向航行时,速度误差的符号为正,偏西误差(W );在90°～270°的区间内,即偏南方向航行时,速度误差符号为负,偏东误差(E)如图2-5所示;这里的正负号是按我们所选择的座标而确定的,与航海上所采用的座标符号正好相反,希望读者注意。
3.速度误差的消除
当船舶航速变化较大（例如5kn ）或航行纬度变化较大（例如5°）或航向变化较大（例如15°）时，需对航速误差进行消除。其消除方法如下：
（1）速度误差校正表
把αrv 按不同的航速V 航向C 和地纬度φ计算后绘成表格或图表的形式,以便使用罗经时查用。注意误差符号与航海习惯一致。使用时,先根据船舶航速、罗经航向和所在地纬度,在表中查取速度误差值;再根据罗经航向确定符号;根据公式:真航向=罗经航向十速度误差,确定船舶真航向。若表中无对应的航速、罗经航向和纬度时,则利用内插法求之。
（2）外补偿法
在下重式罗经中,利用外补偿法来消除罗经的速度误差。通常在主罗经上设置速度误差校正器,用机械方法按照速度误差的表达式算出αrv 值并在航向读数中予以扣除。
（3）内补偿法
利用施加补偿力矩来补偿误差的方法。通常忽略船舶航速东西分量V E 的影响，采用向垂直轴施加速度误差补偿力矩e
N ZV R V H M 的方法消除误差。 第三节 冲击误差(ballistic error)
船舶作机动航行(变速变向航行)时,所出现的惯性力对罗经的影响引起的误差,称为冲击误差。惯性力作用在陀螺罗经重力控制设备上而产生的冲击误差，称为第一类冲击误差,(ballistic deflection error)；惯性力作用在阻尼设备上而产生的冲击误差，称为第二类冲击误差(ballistic damping error)。
一. 第一类冲击误差(ballistic deflection error)
α 图2－5
1.主轴冲击进动的三种情况
惯性力使主轴进动,可能出现下列
三种情况:
①当船舶机动终了时,主轴正好进
动到新的稳定位置r 2,如图2-6所示,这
时,主轴在稳定点r 2处是稳定的,主轴虽
然偏离真北一个αrv2角(这是一个速度
误差值),经过补偿后,罗经航向盘上没
有误差存在;
②当船舶机动终了时,主轴在船舶机动航行
的持续时间内,尚未来得及由旧的稳定位置r 1转
向机动终了时的新稳定r 2,而是落后于r 2位于1
的位置。如图2-7所示;
⑧在船舶机动航行的持续时间内,罗经主轴
的进动超过了机动终了时新稳定位置r 2而抵达1
处。如图2-8所示。
前面讨论的三种情况,在第一种情
况下,是理想的。机动终了主轴正好抵达
新的稳定位置上;第一类冲击误差为零。
在后面的两种情况下,当船舶加速
终了,惯性力消失后,罗经主轴并不恰好
到达新的稳定位置r 2上,而与新稳定位
置有一偏差B I ,如图2-8所示。如果此
时阻尼设备处于工作状态,主轴从图中
1的位置在按反时针方向的阻尼曲线运
动到新稳定位置的过程中,误差在随时
间变化,就称这种误差为第一类冲击误差,其最大值用B I 表示。加速结束时，主轴在图中位置1。误差为最大,经过1/4周期,主轴运动到2处,第一类冲击误差为零。在大连地区,罗经的阻尼周期大约为80min,又经过1/4周期。主轴运动到3处。大约从加速度终了算起,经过3/4周期,约为1h,主轴可稳定在新的稳定点r 2处,第一类冲击误差为零。
2.不产生第一类冲击误差B I 的非周期过渡条件(aperiodic transitional condition)
在船舶机动过程中，因惯性力的作用,陀螺主轴指北端产生进动,进动旋转角称为冲击位移，用B Z 表示。
N Z V Hg
M C V Hg M B ?=?=cos （2－7） 式中C V V N cos ?=?称为北速度变化量。
船舶机动前后新旧稳定位置角度差rv α?，由机动前与机动终了后的速度误差αrv1和αrv2所决定。
图2－8 图2－7
图2－6
?
ω?ωαααcos cos cos )(1212e e N e e rv rv rv R V R C V V ?=-=
-=? （2－8） 称为速度误差之差。 当rv Z B α?=时，将不产生第一类冲击误差：
将式（2－7）和式（2－9）代入整理后得到
min 4.842210===g
R M H T e πωπ （2－9） 凡是摆式罗经其等幅摆动的周期
T 0=84.4min 时,在船舶机动航行时间内,主轴
将由机动开始时的旧稳定位置非周期地过渡
到机动终了时的新稳定位置去,而不产生第一
类冲击误差。该非周期过渡条件是由德国数学
家舒拉(Sohuler)于1923年首次导出的,故通
常又称之为舒拉条件。或称舒拉周期(Schuler
period)。
机械摆拭罗经在某一特定纬度轴上其等
幅摆动周期为84.4min,以此来确定罗经的动
量矩H 和最大摆性力矩M 等罗经结构参数,该纬度φ0称为机械摆式罗经的设计纬度。
通常在船舶机动终了时，第一类冲击误差之值B I 为最大。开启液体阻尼器后，由于存在着B I ，因此罗经主轴将在其新稳定位置附近作周期性的减幅摆动，最后抵达新稳定位置；一般说来，第一类冲击误差在船舶机动终了后经1h 左右即可消失，因此船舶驾驶员在机动期间或机动终了后约0.5h 内读取罗经航向时应考虑该误差。
二. 第二类冲击误差(ballistic damping error)
第二类冲击误差在船舶机动终了时较小，其最大值约在机动终了后经1/4阻尼周期时出现，经1h 左右即可消失，故船舶驾驶员在机动期间或机动终了后约45min 内读取罗经航向时应考虑该误差。
对于结构参数不能随纬度进行调整的陀螺罗经
而言,纯粹的第二类冲击误差B II 仅仅发生在设计纬
度φ0上(因为在φ0处,B I =0),当船舶在其他纬度上做
机动航行时,将使罗经同时产生B I 和B II ,即总冲击
误差为B 。
经分析知道,对于摆式罗经,第二类冲击误差B II
有如下特点:当船舶所在纬度低于设计纬度时,第二
类冲击误差和第一类冲击误差的符号相反:当船舶
所在纬度高于设计纬度时,第二类冲击误差和第一
类冲击误差的符号相同。
船舶机动时,总的冲击误差为第一类冲击误差和
第二类冲击误差的和,即B =B I + B II 。当φ<φ0时, B I 与
B II 符号相反,总的冲击误差减小,一般不作处理;当φ>φ0时, B I 与B II 符号相同,总的冲击误差增大,所以
图2－10 图2－
9
在机动时,应关闭阻尼器。如图2－10。
第四节其他误差
一.摇摆误差(rolling error)
船舶在风浪中摇摆是周期性的,摇摆时会有周期性惯性力出现,这种惯性力作用在罗经上,使罗纤产生的误差叫摇摆误差。陀螺罗经的摇摆误差是指船舶摇摆时呈周期性变化的惯性力作用于陀螺罗经的重力控制设备而产生的指向误差。罗经的摇摆误差与罗经的结构参数、罗经的安装位置、船舶摇摆姿态、船舶所在纬度和船舶摇摆方向等参数有关。特别是船舶沿隅点航向(045、135、225、315)航行且横摇时,摇摆误差最大。
船用陀螺罗经均在结构上来取了有效措施成功地消减了摇摆误差。各系列陀螺罗经采用的方法如下:
⒈安许茨系列陀螺罗经
方法是在陀螺球内安放两个陀螺转子。两个转子的动量矩合成有北向动量矩,东西动量矩合成为零,与单转子陀螺球具有相同的特性。
2.斯伯利系列陀螺罗经
方法是采用调整液体在连液体通器内的流动周期远远大于船舶摇摆周期,从而有效地消减了摇摆误差。
3.阿玛一勃朗系列陀螺罗经
方法是在其用于敏感主轴高度角的电磁摆内充满粘性很大的硅油,对摆锤进行强阻尼,使电磁摆不随船舶摇摆。
至于它的原理属于构造设计问题,在这不做详细的讨论。
二.基线误差
陀螺罗经的主、分罗经上都有用来读取航
向的基准线,称为基线(lubber line)。安装罗
经时,应使罗经的基线与船首尾线平行,否则
将产生基线误差。基线误差的大小及符号不随
时间变化,是一种固定误差。当基线向船舶右
舷偏开时,罗经方位读数大于真方位,此时为
西误差,用W表示;当基线向船舶左舷偏开时,
罗经方位读数小于真方位,这时的基线误差为
东误差,用E表示。
通常基线误差大于0°.5时,则应予以校
正。船舶驾驶员需经常测定陀螺罗经误差,测
定时务须注意下列几点:
1.陀螺罗经必须稳定。
2.方位分罗经的基线必须与船舶首尾线
图2－11
平行。
3.测物标方位用的方位圈必须没有误差。
4.停泊或靠码头测定陀螺罗经误差时,应将速度误差校正器归零(用内补偿法消除速度误差的陀螺罗经中,应将速度控钮置于0kn刻度处);航行中应根据船舶航速及船舶所在地纬度校正掉速度误差或计及速度误差值。
若经过多次测定,发现陀螺罗经误差的大小和符号基本不变时,则可认为该误差为基线误差。必须用移动基线的方法予以消除。在校正主罗经的基线误差前，应先检查方位分罗经
的基线是否与船舶首尾线平行。一般在船厂安装方位分罗经时,其基线已作过检查核对。之后,在船舶靠码头并待罗经稳定工作时,移动主罗经座的基线来消除其基线误差。
对陀螺罗经的基线误差进行调整后,驾驶员还应经常测定罗经误差,以便核对。使用陀螺罗经时,切不可忽视磁罗经的作用。尤其是在某一航向上航行,应经常将陀螺罗经航向与磁罗经航向进行比对,发现问题及时予以调整,使陀螺罗经更加可靠地为船舶安全航行服务。
复习思考思
1.何谓纬度误差?该误差如何予以消除?
2.何谓速度误差?它与哪些因素有关?如何消除之?
3.何谓冲击误差?何谓第一类冲击误差和第二类冲击误差?
4.船舶在高于和低于罗经设计纬度的航区作机动航行时,双转子摆式罗经产生的第一类冲击误差B I和第二类冲击误差B II的符号如何?总冲击误差B如何?
5.摆式罗经(指双转子摆式罗经和单转子液体连通器罗经而言)在船舶机动航行时不产生第一奖冲击误差的非周期过液条件是什么?
6.何谓摇摆误差?并简要说明安许茨系列罗经、斯伯利系列罗经和阿玛-勃朗系列罗经消减摇摇误差的措施。
7.何谓基线误差?具有哪些特点?驾驶员如何对基线误差进行测定与校正?
8.测定陀螺罗经误差时应注意哪些问题?
9.航行在北纬60°海区的某轮，以航速V＝30kn欲向正南航行，试计算此船罗经的速度误差和陀螺罗经的航向。
10.某船以航速15在70海域向正南恒向恒速航行，试用查表法和计算法求出此船的速度误差和陀螺罗经的航向。
2010年第29卷第3期 传感器与微系统(T r a n s d u c e r a n dM i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s) M E M S陀螺误差辨识与补偿 谈振藩,张勤拓 (哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:由于制造工艺等原因,M E M S陀螺的随机漂移非常大,严重影响了系统的性能。通过自制的基于 M E M S的捷联惯导系统的相关实验,对M E M S陀螺的确定性误差和随机误差分别进行了辨识和补偿。完 成确定性误差补偿,对M E M S陀螺随机误差进行了时间序列分析,并建立了A R模型,根据所选模型参数 建立了随机误差的系统方程,采用经典卡尔曼滤波进行随机误差补偿。实验结果说明:无论是静态下还是 动态下,补偿后信号的方差都大大下降,说明了滤波效果较为明显,具有一定的工程应用价值。 关键词:M E M S陀螺;时间序列分析;A R模型;卡尔曼滤波 中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2010)03—0039—03 E r r o r i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o no f ME MSg y r o s c o p e T A NZ h e n-f a n,Z H A N GQ i n-t u o (C o l l e g e o f A u t o m a t i o n,H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n150001,C h i n a) A b s t r a c t:M E M Sg y r o's r a n d o m d r i f t i s v e r yl a r g e,b e c a u s eo f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n do t h e r r e a s o n s, w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t o n s y s t e mp e r f o r m a n c e.T h r o u g h e x p e r i m e n t s o f M E M S s t r a p d o w n i n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m, d e t e r m i n i s t i c a n ds t o c h a s t i c e r r o r w a s i d e n t i f i e da n dc o m p e n s a t e d.A f t e r d e t e r m i n i s t i ce r r o r w a s c o m p e n s a t e d,t h e s t o c h a s t i ce r r o r w a s a n a l y z e d b a s e d o nt i m e s e r i e s a n dA Rm o d e l w a s s e t u p.S y s t e m e q u a t i o no f s t o c h a s t i ce r r o r w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o nt h e s e l e c t e dm o d e l a n dt h ee r r o r w a s c o m p e n s a t e db y K a l m a nF i l t e r.T e s t r e s u l t s s h o w t h a t v a r i a n c e o f M E M S g y r o s c o p e s t o c h a s t i c e r r o r r e d u c e d g r e a t l y a f t e r f i l t e r,w h i c h i l l u s t r a t e s t h e f i l t e r i n g e f f e c t i s o b v i o u s,a n d h a s a c e r t a i nv a l u e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n. K e yw o r d s:M E M S g y r o s c o p e;t i m e s e r i e s a n a l y s i s;A Rm o d e l;K a l m a nf i l t e r 0 引 言 微机电系统(m i c r o-e l e c t r o-m e c h a n i c a l-s y s t e m,M E M S)陀螺仪已经出现了近二十年[1],与其他陀螺相比,M E M S陀螺在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势,但由于早期精度较低,并没有引起重视。近些年,随着微电子加工技术的发展,M E M S惯性传感器特别是陀螺仪的精度获得大幅度的提高。基于M E M S惯性传感器的惯性导航系统己成为当今惯性技术领域的一个重要的研究热点。西北工业大学的苑伟政教授提出了虚拟陀螺的概念,通过研究同类传感器的相关性来提高其测量精度;东南大学的吉训生博士,把形态学滤波的思想引入到M E M S陀螺降噪中,具有一定的理论研究意义[2]。另外,还有很多学者提出了新的思路和方法,并仿真取得了一定的效果。但目前的众多学者的研究多处于理论研究方面,大多集中在对漂移的离线降噪。 M E M S陀螺仪精度较低的主要原因是输出信号中随机噪声含量较大,因此,在使用前对陀螺随机误差进行辨识和 收稿日期:2010—01—04降噪处理是十分必要的[3]。目前常用的陀螺仪随机误差辨识方法有自回归滑动平均(A R M A)建模法、功率谱密度分析(P S D)法和A l l a n方差分析法[4]。哈尔滨工程大学的张树侠教授针对激光陀螺和光纤陀螺的特点,分别建立了A R M A模型[5,6];东南大学的吉训生在对M E M S陀螺随机漂移信号建立A R(2)模型后,采用鲁棒性很强的H ∞ 滤波 方法,证明了H ∞ 滤波效果和实时性比小波变换要好[7]。 本文针对实际系统,从陀螺测量模型出发,全面地辨识出陀螺各误差项,尤其对M E M S陀螺随机噪声进行了建模和补偿,具有一定的工程实用价值。 1 M E M S捷联惯导系统 M E M S捷联惯导系统由M E M SI M U,信号采集电路,导航计算机,显示器,数字式电子罗盘H M R3000,G P S,键盘和电源等组成。 M E M S惯性测量单元(M E M SI M U)由6只M E M S陀螺和6只M E M S加速度计组成。M E M S捷联惯导系统框图 39 DOI:10.13873/j.1000-97872010.03.003
电V ol.39, No.1 第39卷第1期 光工程 2012年1月Opto-Electronic Engineering Jan, 2012 文章编号：1003-501X(2012)01-0062-06 总方差方法在光纤陀螺随机误差分析中的应用 石祥 国1，陈坚1，叶军1，王林2 ( 1. 第二炮兵工程学院，西安 710025； 2. 第二炮兵驻孝感地区军事代表室，湖北孝感 432100 ) 摘要：总方差方法被引入到光纤陀螺随机误差特性分析当中，有效克服了传统Allan方差法在长相关时间上计算易出现“崩溃”的问题。但用它直接分析光纤陀螺随机噪声存在算法偏差，不能真实反映角度随机游走噪声、量化噪声和指数相关噪声方差值，因此在算法上对总方差提出改进，使其适用于光纤陀螺噪声分析。对模拟的各项随机噪声进行仿真计算，验证改进后总方差方法可有效辨识噪声类型和水平。对光纤陀螺实测数据方差分析表明改进的总方差方法在平均因子较大的情况下可提高估计置信度，方差值稳定性好，比Allan方差法能更精确地分析出噪声项系数。 关键词：光纤陀螺；Allan方差；总方差；功率谱密度 中图分类号：TN253 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2012.01.011 Applications of Total Variance Method in Random Error Analysis of the Fiber Optic Gyro Signal SHI Guo-xiang1，CHEN Jian1，YE Jun1，WANG Lin2 ( 1. The Second Artillery Engineering College, Xi’an 710025, China; 2. The Second Artillery Representative Room of Xiaogan District, Xiaogan 432100, Hubei Province, China ) Abstract: Total variance is used to analyze the random noise of Fiber Optic Gyroscope (FOG), which efficiently solves the problem that the Allan variance calculation is easy to be unstable at long-term τ values. But there is algorithm error with total variance when analyzing the random noise of FOG directly, which cannot really reflect the variances of rate random walk noise, quantization noise and exponentially correlated noise. So an improved method based on total variance is presented to suit random noise analysis of FOG. The estimation performance with the simulated random noise shows that the improved total variance can efficiently identify the noise types and levels. According to the analysis of measured FOG signal, it can improve the confidence in the case of great mean index, the values of variance have a good stability, and it is better and more exact than Allan Variance in identifying noise coefficient. Key words: fiber optic gyroscope; Allan variance; total variance; power spectrum density 0 引 言 光纤陀螺(FOG)作为新一代的全固态惯性器件，已被广泛地应用于捷联式惯性导航系统。但由于其自身的结构特点和易受环境影响，输出信号中含有大量随机噪声，这些噪声往往呈现非平稳性和非正态分布特性，它们是影响光纤陀螺精度的一个关键因素。对光纤陀螺输出信号中的噪声进行有效地估计和辨识有助于进一步分析随机误差产生的原因，采取相应的补偿方法提高光纤陀螺性能。 Allan方差分析法作为IEEE认可的光纤陀螺误差项分析标准方法，能非常容易地对各种误差源及整个噪声统计特性进行细致的表征和辨识。“差分”是Allan方差分析的核心思想，即信号时域数据的二次差分收稿日期：2011-07-17； 收到修改稿日期：2011-10-19 作者简介：石国祥(1984-)，男(汉族)，陕西西安人。硕士研究生，研究方向：导航、制导与控制。E-mail:stone.712@https://www.doczj.com/doc/c34208823.html,。
第３３卷第２期应用科技Ｖ０１．３３．Ｎｏ．２２００６年２月ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．２００６文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００６）０２—００４０—０３ 光纤陀螺随机误差的测定方法研究 罗超１，贺林２，孙蓉１ （１．哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：针对光纤陀螺的随机噪声，分析了其产生的来源；对于５种主要的噪声源，运用ＩＥＥＥ公认的在时域上 对频域稳定性进行分析的方法——Ａｌｌａｎ方差法，进行了特性分析，并给出了误差系数的计算公式．同时介绍了 只测定角度随机游走系数时的２种简单测定方法：模型拟合法、归一化计算法；对于一组实际的陀螺零偏数据 进行了测定． 关键词：光纤陀螺；随机误差；Ａｌｌａｎ方差 中图分类号：ＴＨ８２４．３文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｒａｎｄｏｍｅｒｒｏｒｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏ ＬＵＯＣｈａ０１，ＨＥＬｉｎ２，ＳＵＮＲｏｎ９１ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｒａｎｄｏｍｅｒｒｏｒｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏ（ＦＯＧ）ｉｓａｎａｌｙｓｅｄ．Ｆｏｒ５ｍａｉｎｎｏｉｓｅｓ，ｔｈｅＡｌｌａｎｖａｒｉａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｄｂｙＩＥＥＥ，ｉｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅａｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｓｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｅｒｒｏｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ａｇａｉｎ，ｔｗｏｓｉｍｐｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｍｏｄｅｌｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄａｒｅｇｉｖｅｎｔｏｍｅａｓｕｒｅｏｎｌｙｔｈｅａｎｇｕｌａｒ
第六节陀螺罗经 1、安许茨4型罗经，在纬度20°处起动时达稳定指北需3h，若起动状态一样，则在纬度60° 处达稳定指北的时间 B 。 A．仍为3h B．大于3h C．小于3h D．A、B、C皆可能 2、在北纬静止基座上，下重式罗经主轴指北端的稳定位置是 A 。 A．子午面内水平面之上 B．子午面内水平面之下 C．子午面之东水平面之上 D．子午面之 西水平面之下 3、把自由陀螺仪改造为陀螺罗经，关键是要 B 。 A．克服地球自转 B．克服地球自转角速度垂直分量所引起的主轴视运 动 C．克服地球自转角速度水平分量所引起的主轴视运动 D．克服陀螺仪的定轴性 4、一个自由陀螺仪要成为实用的陀螺罗经，必须对其施加 D 。 A．进动力矩和稳定力矩 B．控制力矩和稳定力矩 C．进动力矩和阻尼力矩 D．控 制力矩和阻尼力矩 5、液体连通器式陀螺罗经在起动过程中，当主轴指北端向水平面靠拢时，阻尼力矩起到 A 的作用。 A．增进其靠拢 B．阻止其靠拢 C．不起作用 D．以上都不对 6、下列何种陀螺罗经采用西边加重物的垂直轴阻尼法 B 。 A．安许茨4型罗经 B．斯伯利37型罗经 C．航海1型罗经 D．阿 玛一勃朗10型罗经 7、在北纬，船用陀螺罗经在稳定位置时，为什么其主轴要在水平面之上有一高度角，主要 用于产生 A 。 A．控制力矩 B．阻尼力矩 C．动量矩 D．以上 均错 8、当陀螺罗经结构参数一定时，罗经等幅摆动的周期为84.4min所对应的纬度被称为 B 。 A．标准纬度 B．设计纬度 C．20° D．固定 纬度 9、高速旋转的三自由度陀螺仪其进动性可描述为 C 。 A．在外力的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力方向 B．在外力矩的作 用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端力图保持其初始方位不变 C．在外力矩的作用下，陀螺 仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力矩 D．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴即能自 动找北指北
光纤陀螺的误差分析及建模 光纤陀螺具有许多独特的优点,由此引起了世界上众多研究机构的重视。目前光纤陀螺已经广泛的应用于民用和军用战术武器的惯性系统中。各国 的研究机构也在大力研制应用于航海、航天等领域中的高精度惯导级光纤陀 螺。光纤陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应的广义相对论性效应而制成的角速 率传感器,它代表了惯性仪表与元件发展的一个新方向,与传统的机械陀螺相比,光纤陀螺采用全固态设计,结构简单,反映速度快,抗冲击能力强,动态范围宽。 对它的随机误差进行数理统计分析,找出其统计特性规律,并用一定的方法对其 进行补偿,对提高光纤陀螺的导航精度将产生重要意义。本文对于量化噪声、角度随机游走、零偏稳定性、速率随机游走、速率斜坡等5种主要的噪声源,通过运用Allan方差法便可很容易地辨识出影响光纤陀螺性能的各种因素,为有针对性的采取抑制噪声措施和采用各种滤波算法提供一定的参考依据;在仿真分析中,通过对比不同小波基、不同消失矩、不同分解层数、不同阈值处理方法等情况 下陀螺信号的小波去噪效果,设计了合适的滤波方案,从抑制光纤陀螺随机噪声 的角度出发,利用小波分析法对光纤陀螺的输出进行滤波处理,验证了滤波效果;用数学建模的理论对光纤陀螺的输出进行ARMA数学建模,对建模以后的输出进 行卡尔曼滤波,实现对随机误差的补偿,并且取得比较好的补偿效果。 同主题文章 [1]. 王海,陈家斌,黄威,张延顺,汤继强. 光纤陀螺随机漂移测试及分析' [J]. 光学技术. 2004.(05) [2]. 李战,冀邦杰,国琳娜,王海陆,严由嵘. 光纤陀螺零漂信号的Allan方 差分析' [J]. 鱼雷技术. 2007.(02) [3]. 缪玲娟. 小波分析在光纤陀螺信号滤波中的应用研究' [J]. 宇航学报. 2000.(01) [4]. 缪玲娟,张方生,沈军,刘伟. 光纤陀螺漂移的数据分析及建模(英文)' [J]. Journal of Beijing Institute of Technology. 2002.(01) [5]. 罗超,贺林,孙蓉. 光纤陀螺随机误差的测定方法研究' [J]. 应用科技. 2006.(02) [6]. 李凤海,郝炜亮,许化龙. 基于小波理论抑制光纤陀螺零漂的研究' [J]. 光电子技术. 2005.(01) [7].
第34卷增刊光学技术Vol.34Suppl. 2008年12月OPTICALTECHNIQUEDec.2008 文章编号:100221582(2008)S2******* 光纤陀螺随机误差建模与滤波方法研究 李晓峰,徐军,张胜修 (第二炮兵工程学院,西安710025) Ξ 摘要:提出了一种适用于高精度光纤陀螺的静态输出信号建模的时间序列模型,尔曼滤波器。结果表明,该建模和滤波方法有效地减小了FOG的误差,,提高了导航精度,具有较好的实用价值。 关键词:光纤陀螺;时间序列;随机漂移;卡尔曼滤波中图分类号:U666.1文献标识码:A Studyonthemodelinggyroscoperandomerror ,J,ZHANGSheng2xiu EngineeringCollege,Xi′an710025,China) Abstract:whichcanbeappliedinthemodelingofhigh2preciseFOG′sstaticoutputsignalispre2 sented,andtheKalmanfilterofFOGrandomerrorisbuilt.Theresultshowsthatthismodelingan dfilteringmethodcanreducetheerrorofhigh2preciseFOG.Thenavigationerrorsaredepresse d,andthenavigationprecisionisimproved. Keywords:FOG;timesequence;randomdrift;Kalmanfilter 1引言 陀螺仪是用于自主测量载体相对于惯性空间旋转运动的 元件,因此以陀螺仪为核心的惯性测量系统在飞行器控制与制导,空中、海上和陆上导航/定位中都起着至关重要的作用。光纤陀螺仪是利用Sagnac效应的角速度传感器。Sagnac效应是指当环形干涉仪旋转时,产生一个正比于旋转速率的相位差。光纤陀螺仪具有可靠性高、抗冲击、频带宽、成本低、平均无故障时间长等诸多优点,因此在惯性制导和导航的许多应用领域[1,2],已经将光纤陀螺仪作为一项关键技术进行研究。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910119366.3 (22)申请日 2019.02.18 (71)申请人 兰州交通大学 地址 730000 甘肃省兰州市安宁区安宁西 路118号 申请人 陈光武 (72)发明人 陈光武 刘洋 杨菊花 程鉴皓 (74)专利代理机构 北京智客联合知识产权代理 事务所(特殊普通合伙) 11700 代理人 李戍 (51)Int.Cl. G01C 25/00(2006.01) G06K 9/62(2006.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于改进EMD的MEMS陀螺 随机误差建模滤波方法，包括：使用EMD算法在原 始信号中提取IMF分量；基于提取的所述IMF分量 进行建模；对建模得到的模型进行Kalman滤波， 对MEMS陀螺随机误差进行实时补偿。以实现提高 MEMS陀螺仪的测量精确的优点。权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 109798920 A 2019.05.24 C N 109798920 A
1.一种基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于，包括： 使用EMD算法在原始信号中提取IMF分量； 基于提取的所述IMF分量进行建模； 对建模得到的模型进行Kalman滤波，对MEMS陀螺随机误差进行实时补偿。 2.根据权利要求1所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于，所述使用EMD算法在原始信号中提取IMF分量，包括： 用EMD算法将原始信号分解为多个IMF和非随机项之和； 计算多个IMF的自相关函数，提取出主要含噪的IMF分量。 3.根据权利要求2所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于，所述基于提取的所述IMF分量进行建模，包括： 对提取的IMF分量进行平稳性和正态性检验。 4.根据权利要求3所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于，所述使用EMD算法在原始信号中提取IMF分量的步骤之前，还包括： 将测量到的陀螺随机数据表示为： y(n)＝r(n)+x(n)， 式中，r(n)为非随机项，包括趋势项和周期性；而x(n)为随机项，y(n)为陀螺随机数据；基于表达式获取原始信号。 5.根据权利要求4所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于， 所述使用EMD算法在原始信号中提取IMF分量中，提取的IMF必须满足以下两个条件：在整个序列上，极值点和过零点的个数必须相同或者最多相差一个； 在每一个点上，上包络线和下包络线的平均值为零。 6.根据权利要求5所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于，所述使用EMD算法在原始信号中提取IMF分量中，所述EMD算法具体包括： 设y(t)为原始信号，首先找出该信号的所有极大值点和极小值点，得到多个极值点；对所述多个极值点分别进行三次样条插值，从而形成上包络线a(t)和下包络线b(t)，以保证所有的极值点在这两条包络线之间； 计算两条包络线的均值，并定义原始信号和均值的差值，并判断差值是否满足IMF的两个条件； 从而将原始信号分为n个IMF分量和非随机项之和： imf i 为本征模态函数，r n 为非随机项，n为自然数。 7.根据权利要求6所述的基于改进EMD的MEMS陀螺随机误差建模滤波方法，其特征在于， 所述计算多个IMF的自相关函数，提取出主要含噪的IMF分量，包括： 根据自相关函数的函数值在零点处最大，其余点的函数值迅速衰减到零，呈现出弱相关性；而对于有用信号主导的数据序列，虽然自相关函数值也是零点处最大，但其他点的函数值并非迅速衰减到零，而是缓慢下降、存在一定规律的变化，呈现出强相关性的特性对IMF分量进行筛选分类。 权 利 要 求 书1/2页2CN 109798920 A
实验三、TG-5000型，DH-2型陀螺罗经正确使用 一、实验的目的 了解磁罗经的结构及各部分的作用，掌握磁罗经基本性能的检查方法，掌握磁罗经基本误差的校正方法。 二、实验内容 （一）使用常识 1．一般情况下，陀螺罗经的稳定时间为4～5小时，因此，通常在开航前4小时启动罗经。 2．某些罗经设有加速稳定装置，可将罗经主轴大致置于水平正北，从而缩短了主轴减幅摆动过程，但最迟也应在开航前2小时启动罗经。 3．停港后是否一定要停止罗经工作？停与不停，哪种有益？一般来说到港后不需要罗经时，将其停止，可减小机械磨损，延长使用寿命。但因陀螺马达启动时电流大，比工作电流大几倍，以及重新加速的磨损，考虑到这些对罗经的影响，和一些电子元件也易在启动瞬间电冲击而损坏。因此，如果船舶在港只停4～5天，那就不停为宜。但至今并不曾有某种型号罗经要求，该型号罗经启动后就再不中断，停机。 （二）TG-5000型陀螺罗经的使用 1. 启动 A．快稳启动 若船舶航向已知时（可参考磁罗经航向或码头方位），可按下列步骤启动罗经，约2小时罗经便可稳定。（1）将主罗经开关面板上的方式选择开关置于“旋转”（SLEW）位置，稍等一会（约4分钟），红灯发亮。（2）红灯亮后，向左或向右拨动“旋转开关”（SLEW SWITCH），使主罗经航向指示船舶真航向。 （3）方式选择开关置于“运转”（RUN）位置，绿灯亮。 B．正常启动 若未知船舶航向，则按下列操作启动罗经： 将方式选择开关置于“运转”（RUN）位置，绿灯亮。这种正常启动方式，罗经需4小时才能稳定。2．速度误差校正 将发送箱面板上的纬度和速度旋钮调整到船舶所在的纬度值和速度值。 3．分罗经同步 (1) 置分罗经开关到短开位置,手调分罗经同步旋钮,使其读数与主罗经刻度盘读数一致. (2) 同步后,接通分罗经开关,并检查分罗经与主罗经是否同步,若不同步则重新调整. 4．关机 将方式选择开关置于“断开”（OFF）位置。 5．电源报警 当交流船电断电时，可按下列步骤操作： （1）发送箱上的蜂鸣器发出响声，红灯亮。此时罗经电源自动转换为应急电源，主罗经可继续工作，而分罗经停止工作。 （2）按下报警按钮，蜂鸣器响声停止，红灯仍亮。 （3）当交流船电恢复正常后，蜂鸣器又发出响声，红灯继续发亮。
第34卷第9期 光电工程V ol.34, No.9 2007年9月 Opto-Electronic Engineering Sep, 2007文章编号：1003-501X(2007)09-0010-06 陀螺安装误差影响视轴稳定 平台精度的机理研究 李岩，张智永，范大鹏 ( 国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073 ) 摘要：针对陀螺安装误差影响视轴稳定平台精度的问题，深入研究了其影响的作用机理及程度。以两轴稳定平台为具体对象，应用PIOGRAM图方法，讨论了安装误差对陀螺敏感量的运动学影响。并对陀螺安装误差影响系统精度以某实际模型为例进行了仿真分析，得出了其对稳定精度影响更为具体的解释。这对陀螺安装误差的标定、机构设计中安装面精度的取定以及误差分配等都具有参考作用。 关键词：视轴稳定平台；稳定精度；陀螺；安装误差 中图分类号：V556 文献标志码：A Principle of the effect of gyro misalignment on the stabilization platforms accuracy LI Yan，ZHANG Zhi-yong，FAN Da-peng ( College of Electromechanical Engineering & Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China ) Abstract：Referring to the problem of gyro misalignment effect on the LOS stabilization accuracy, the paper researches the principle and extent of its effect. In this paper, the kinematics impact on the sensitive value of gyro misalignment for two-axis platform was discussed by using the PIOGRAM method. And the quantitative conclusion of the misalignment effect on stabilization accuracy was studied by simulating the practical stabilization platform. The result can be used to explain the effect of gyro misalignment on the stabilization accuracy in detail and to instruct the gyros’ calibration, tolerance selection of alignment faces and error allocation, etc. in the installation of LOS stabilization platform. Key words：LOS stabilization platform; stabilization accuracy; gyro; alignment error 引 言 运动载体光电跟踪、瞄准、测量等功能的实现，其前提在于保证跟踪瞄准仪器(视轴指向)在载体运动环境下相对惯性空间的稳定。当前的视轴稳定平台系统多利用速率陀螺敏感相对惯性空间的角速度实现稳定，依据陀螺安装位置的不同，又可分为直接稳定和间接稳定(捷联)两种方式[1]。捷联稳定通过安装在基座处的陀螺直接敏感基座相对惯性空间的角速度(干扰运动)，与轴系回转角速度合成作为反馈参考量驱动伺服系统进行视轴稳定。许多国内外学者也对此类系统的陀螺安装问题进行过试验和标定工作[2-3]。而直接稳定(即平台稳定)方式，陀螺直接敏感被稳定对象(如CCD、红外成像仪、天线、测距机等)的空间角速度，其载体运动角速度经多轴伺服机构耦合至陀螺坐标系，陀螺安装误差影响下的角速度转换关系相对复杂，本文即以直接稳定的视轴稳定平台为对象，采用两轴瞄准线(Line of Sight ,LOS)稳定系统为具体实例，详细地分析陀螺安装误差对系统稳定性能的影响。 收稿日期：2006-11-20；收到修改稿日期：2007-06-15 基金项目：“十五”国防预研项目 作者简介：李岩(1978-)，女(回族)，吉林松原人，博士，主要研究工作是光电稳定跟踪伺服控制技术。E-mail:yanli_78@https://www.doczj.com/doc/c34208823.html,
光纤陀螺仪的误差分析目前光纤陀螺的研究和应用中还存在着一些关键技术需要作进一步的深入研究。最突出的问题就是存在许多难以解决的误差源。 一、光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类： 1、干涉式光纤陀螺（IFOG） 2、谐振式光纤头陀螺（RFOG） 3、受激布里渊散射式光纤陀螺（BFOG） 其中干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化，而谐振式光纤陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处于基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。 所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。 二、干涉式光纤陀螺原理 干涉式光纤陀螺的主体是一个萨格奈克（Sagnac）干涉仪，由宽带光源（如超发光二极管或光纤光源）、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤线圈组成，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束广波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差： 式中：R为光纤线圈的半径；L为光纤长度；为光源平均波长；c为真空中的光速。
图1 干涉式光纤陀螺的机构组成 三、光纤陀螺的噪声来源 由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源的影响，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。为了减少光纤陀螺的误差并提高其精度，需要对其进行性能评价，辨识出影响其精度的主要误差源，以便进一步采取措施消除相关的随机误差。 在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应，它们都将引起陀螺输出漂移和标度因数的不稳定性，从而影响光纤陀螺的性能。 主要误差源 1.光源噪声 光源是干涉仪的关键组件，光源的波长变化、频谱分布变化、输出光功率的波动、返回光的干扰，都将直接影响干涉的效果。另外，返回到光源的光直接干扰了它的发射状态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，并引起发光强度和波长的波动。 (1)光源的波长变化的影响 可通过信号处理的方法加以解决。若波长变化是由温度变化引起，则可直接测量温度而校正波长，否则，必须测量波长进行校正。 (2)返回光的影响 可采用光隔离器、信号衰减器、或选用超发光二极管(SLD)之类的低相干光源，
陀螺罗经 B1、安许茨4型罗经，在纬度20°处起动时达稳定指北需3h，若起动状态一样，则在纬度60°处达稳定指北的时间。 A．仍为3h B．大于3h C．小于3h D．A、B、C皆可能 A2、在北纬静止基座上，下重式罗经主轴指北端的稳定位置是。 A．子午面内水平面之上 B．子午面内水平面之下 C．子午面之东水平面之上 D．子午面之西水平面之下 B3、把自由陀螺仪改造为陀螺罗经，关键是要。 A．克服地球自转B．克服地球自转角速度垂直分量所引起的主轴视运动 C．克服地球自转角速度水平分量所引起的主轴视运动 D．克服陀螺仪的定轴性 D4、一个自由陀螺仪要成为实用的陀螺罗经，必须对其施加。 A．进动力矩和稳定力矩 B．控制力矩和稳定力矩 C．进动力矩和阻尼力矩 D．控制力矩和阻尼力矩 A5、液体连通器式陀螺罗经在起动过程中，当主轴指北端向水平面靠拢时，阻尼力矩起到的作用。 A．增进其靠拢 B．阻止其靠拢 C．不起作用 D．以上都不对 B6、下列何种陀螺罗经采用西边加重物的垂直轴阻尼法。 A．安许茨4型罗经 B．斯伯利37型罗经 C．航海1型罗经 D．阿玛一勃朗10型罗经 A7、在北纬，船用陀螺罗经在稳定位置时，为什么其主轴要在水平面之上有一高度角，主要用于产生。 A．控制力矩 B．阻尼力矩 C．动量矩 D．以上均错 B8、当陀螺罗经结构参数一定时，罗经等幅摆动的周期为84.4min所对应的纬度被称为。 A．标准纬度 B．设计纬度 C．20° D．固定纬度C9、高速旋转的三自由度陀螺仪其进动性可描述为。 A．在外力的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力方向 B．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端力图保持其初始方位不变C．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力矩 D．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴即能自动找北指北 C10、舒拉条件是指当陀螺罗经的等幅摆动周期为，陀螺罗经不存在第一类冲击误差。 A．6h B．90min C．84.4min D．60min B11、陀螺罗经的阻尼因数表示主轴减幅摆动过程快慢程度，其大小在范围。 A．1～2 B．2.5～4 C．5～10 D．以上均错 D12、根据“海船航行设备规范”的要求，一般要在开航前4～6h起动陀螺罗经，这是因为。 A．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到其正常工作温度 B．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到其正常工作电流 C．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到稳定
目录 第一篇船用陀螺罗经 第一章陀螺罗经指北原理 (1) 第一节陀螺仪及其特性 (1) 第二节自由陀螺仪在地球上的视运动 (7) 第三节变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法 (9) 第四节摆式罗经等幅摆动和减幅摆动 (14) 第五节电磁控制式陀螺罗经 (20) 第六节光纤陀螺罗经 (21) 第二章陀螺罗经误差及其消除 (24) 第一节纬度误差(latitude error) (24) 第二节速度误差(speed error) (25) 第三节冲击误差(ballistic error) (28) 第四节其他误差 (30) 第五章磁罗经 第一节磁的基本概念 (61) 第二节船用磁罗经 (64) 第三节磁罗经的检查、保管与安装 (66) 第四节船正平时的自差理论 (68) 第五节倾斜自差理论 (75) 第六节罗经自差校正 (77) 第七节自差的测定和自差表计算 (83) 第二篇水声导航仪器 第六章回声测深仪 (86) 第一节水声学基础 (86) 第二节回声测深仪原理 (87) 第三节回声测深仪误差 (89) 第四节IES-10型回声测深仪 (91) 第七章船用计程仪 (94) 第一节电磁计程仪 (94) 第二节多普勒计程仪 (96) 第三节声相关计程仪 (99)
第一篇 船用陀螺罗经 第一章 陀螺罗经指北原理 陀螺罗经是船舶上指示方向的航海仪器。其基本原理是把陀螺仪的特性和地球自转运动联系起来，自动地找北和指北。描述陀螺罗经指北原理所涉及的内容用式（1－1）表示: 陀螺罗经=陀螺仪+地球自转+控制设备+阻尼设备 （1－1） 第一节 陀螺仪及其特性 一. 陀螺仪的定义与结构 凡是能绕回转体的对称轴高速 旋转的刚体都可称为陀螺。所谓回 转体是物体相对于对称轴的质量分 布有一定的规律,是对称的。常见的 陀螺是一个高速旋转的转子。回转 体的对称轴叫做陀螺转子主轴,或 称极轴。转子绕这个轴的旋转称为 陀螺转子的自转。陀螺转子主轴相 当于一个指示方向的指针，如果这 个指针能够稳定地指示真北，陀螺 仪就成为了陀螺罗经。 如图1-1所示，一个陀螺用一 个内环（视其水平放置，也可称水平环）支承起来，在自转轴（主轴）水平面内，与主轴相垂直的方向上，用水平轴将内环支承在外环（垂直环）上，而外环则用与水平轴相垂直的垂直轴支承在固定环及基座上。把高速旋转的陀螺安装在这样一个悬挂装置上,使陀螺主轴在空间具有一个或两个转动自由度,就构成了陀螺仪。可以看出高速旋转的转子及其支承系统是构成陀螺仪的两个要素。 实用罗经中，陀螺仪转子的转速都是每分钟几千转到每分钟几万转。陀螺仪的支承系统应具有这样的特点，即它应保证主轴在方位上指任何方向，在高度上指示任何高度，总之，能指空间任何方向。由此，我们可以将陀螺仪概述为：陀螺转子借助于悬挂装置可使其主轴指空间任意方向，这种仪器就叫陀螺仪。 实用陀螺仪，其转子、内环及外环等相对主轴、水平轴以及垂直轴都是对称的，无论几何形体或质量都是对称的。重心与几何中心相重合的陀螺仪称为平衡陀螺仪。不受任何外力矩作用的陀螺仪称为自由陀螺仪。工程上应用的都是自由陀螺仪。陀螺仪的转子能绕1－转子；2－内环；3－外环；4－固定环；5－基座 图1－1
20世纪70年代，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也迅速发展起来。该技术是以光波为载体，光纤为媒质，感应和传输外界被测量信号的新型传感技术，以独特的优良性能赢得极大的重视，并在各个领域中广泛应用。光纤陀螺技术是光纤传感技术的一个特例，是利用光学传输特性而非转动部件来感应角速率和角偏差的惯性传感技术。 1 光纤陀螺的结构 按照元器件类型，光纤陀螺分为分立元件型、集成光学型和全光纤型。由于分立元件型光纤陀螺存在体积较大、可靠性较差、误差较大等缺点，现在世界各国都已停止发展。集成光学型光纤陀螺将主要光学元件如耦合器、偏振器、调制器都集成在一块芯片上，将光纤线圈、光源、检测器接在芯片适当的位置，就构成了实用的集成光学型光纤陀螺。从光纤陀螺的发展方向来看，集成光学型光纤陀螺是最有发展前途的光纤陀螺形式。全光纤陀螺是将主要的光学元件都加工在一条保偏光纤上，从而可以避免因元器件连接造成的误差。目前，全光纤陀螺技术比较成熟，其性能在三种中最好，适合在现阶段研制实用的商品光纤陀螺。 根据干涉型光纤陀螺的信号检测方式的不同，可以分为开环式和闭环式两大类。开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移，因而动态范围较窄，检测精度较低。闭环式系统采取相位补偿的方法，实时抵消萨格奈克相移，使陀螺始终工作在零相移状态，通过检测补偿相位移来测量角速度，其动态范围大，检测精度高。此外，闭环式光纤陀螺对环境尤其是对振动不敏感，是研制高精度光纤陀螺仪的理想形式。开环式全光纤陀螺是中低精度、低成本光纤陀螺中比较流行的结构。目前，在中高精度光纤陀螺仪领域，最为流行的设计结构为全数字闭环式光纤陀螺仪。 光纤陀螺示意图 2 光纤陀螺的特点 光纤陀螺的主要特点是：①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽；⑦寿命长，信号稳定可靠； ⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺
第二节陀螺罗经 概述 1．发展 法国物理学家列昂.福科（Leon Foucault) 1852年提出的陀螺指向理论； 现代船舶上普遍使用的陀螺罗经于本世纪初研制成功的船舶指向仪器。 1908年德国生产出了安许茨型陀螺罗经（ANSCHüTZ gyrocompass）； 1911年美国生产出了斯伯利型陀螺罗经（SPERRY gyrocompass）； 1916年英国生产出了勃朗型陀螺罗经（BROWN gyrocompass）。 2．分类 近百年，生产出了近百种型号的陀螺罗经，主要分为三大系列或两大类型。 按照结构特点和工作原理分为三大系列：即安许茨系列；斯伯利系列；阿玛-勃朗系列。 按照灵敏部分转子个数分为两大类型：即单转子陀螺罗经和双转子陀螺罗经。 按照控制力矩的性质分为两大类型：机械摆式陀螺罗经和电磁控制式陀螺罗经。 按照阻尼方式分两大类型：水平轴阻尼陀螺罗经和垂直轴阻尼陀螺罗经。 3．与磁罗经相比较，陀螺罗经的主要优缺点 主要优点：指向精度高；多个复示器，有利于船舶自动化；不受磁干扰影响，指向误差小；安装位置不受限制等。 主要缺点：必须有电源才能工作（可靠性较差）；工作原理、结构复杂。 4．发展趋势 体积小型化；广泛采用先进技术；提高指向可靠性和使用寿命；简化维护保养。 一、陀螺罗经指北原理 1.自由陀螺仪及其特性 1）自由陀螺仪(free gyroscope)定义 陀螺仪从广义讲就是一种能绕定点高速旋转的对称刚体。 实用陀螺仪是高速旋转的对称刚体及其悬挂装置的总称。 按其悬挂装置不同分为单自由度陀螺仪(single-degree of freedom gyro.)、二自由度陀螺仪(two-degree of freedom gyro.)和三自由度陀螺仪(three-degree of freedom gyro.)。 平衡陀螺仪(balanced gyroscope)：若陀螺仪的重心（G）与中心（O）重合。 自由陀螺仪：重心（G）与中心（O）重合，不受任何外力矩作用的三自由度平衡陀螺仪。 2）自由陀螺仪的结构 由转子(gyro wheel)、转子轴(spin axis)（主轴）、内环(horizontal ring)、内环轴(horizontal axis)（水平轴）、外环(vertical ring)、外环轴(vertical axis)（垂直轴）、基座组成的。 转子的转动角速度 的方向称为陀螺仪主轴的正端。 自由陀螺仪结构特点：有三个自由度，即主轴、水平轴和垂直轴； 整个陀螺仪的重心与中心重合。