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罗经基础知识罗经是提供方向基准的仪器，船舶用以确定航向和观测物标方位。
那么你对罗经了解多少呢?以下是由店铺整理关于罗经知识的内容，希望大家喜欢!一、磁罗经发展历程利用自由支持的磁针在地磁作用下稳定指北的特性而制成的罗经。
磁罗经由中国的司南、指南针逐步发展而成。
司南为天然磁石制成的勺形物，投转于光滑的地盘上,停止时勺柄指南。
地盘四周刻有八卦和天干地支名称，用于表示方位(图1)。
已知关于司南的最早记述见于公元前3世纪战国末期的《韩非子·有度》。
宋朝初期出现了人工磁化的指南针，有水浮、丝悬、针顶等方法，近代磁罗经和地磁测量仪器仍沿用这些基本结构。
北宋沈括在《梦溪笔谈》(1063年)中描述了用磁石磨针锋制作指南针的方法，并记载了磁差的存在。
指南针是初级阶段的磁罗经，是中国古代四大发明之一。
唐宋时期中国海外贸易非常发达，大型商船远航到波斯湾、红海等地，造船和航海技术均居世界前列。
指南针应用于航海的最早记载见于北宋朱彧的《萍州可谈》(1119年)，书中说：“舟师识地理,夜则观星,昼则观日，阴晦观指南针。
”用于航海的指南针又称罗盘。
明代铜制的水罗盘用八干、十二支、四维卦位名称标出二十四个方位(图2)。
通常认为罗盘是由中国传入阿拉伯，再传入欧洲，但有争论。
相传14世纪初南意大利阿玛尔菲人F.乔亚首先把纸罗经卡(即方向刻度盘)和磁针连接在一起转动。
这是磁罗经发展过程中的一次飞跃。
从此船舶变向就不必再用手转动罗盘了。
16世纪意大利人卡尔登制成平衡环，使磁罗经在船舶摇晃中也能保持水平。
18世纪初英国人E.哈利制成第一张世界等磁差曲线图。
铁船出现后，磁罗经产生了自差。
在此之前，关于自差现象的记述已见于明末清初方以智的《物理小识》，书中说到铁对磁针的干扰和海船不用铁钉的原因：“海咸烂铁，且妨磁也。
”19世纪上半叶英国人M.弗林德斯和G.B.艾里先后提出消除自差的方法，法国泊松对自差的数学理论作出了贡献。
19世纪70年代英国物理学家W.汤姆森制成稳定性好的干罗经安装于有类似现代自差校正器的罗经柜中，曾被英海军作为标准装备。
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Ω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。
陀螺坐标系：右手坐标系，以自由陀螺仪中心（O）为坐标原点o；陀螺仪主轴方向为纵坐标ox；水平轴为横坐标oy；垂直轴为垂直坐标oz。
3）自由陀螺仪的特性（1） 定轴性(gyroscopic intertia) 比对实验说明定轴性：高速旋转的自由陀螺仪，当不受外力矩作用时，其主轴将保持它在空间的初始方向不变。
图2-1-201-转子；2--内环；3-外环；4-固定环；5-基座 定轴性条件：陀螺转子高速旋转；陀螺仪不受外力矩作用。
定轴性表现特征：主轴指向空间初始方向不变。
（2）进动性(gyroscopic precession)比对实验说明进动性：高速旋转的自由陀螺仪，当受外力矩(moment)(用M 表示)作用时，其主轴的动量矩(momentum moment)失端（用H 表示）将以捷径趋向外力矩M 失端作进动运动，记作 H → M。
图2-1-21进动性的条件：自由陀螺仪转子高速旋转和受外力矩作用；进动性表现特征：主轴相对空间初始方向产生进动运动。
自由陀螺仪进动特性口诀：陀螺仪表定向好，进动特性最重要，要问进动何处去？H 向着M 跑。
自由陀螺仪主轴进动角速度（的快慢，ωp ） 与外力矩M成正比，与动量矩H成反比。
ωp =M H右手定则：伸开右手，掌心对着主轴正端，四指并拢指向加力方向，拇指与四指垂直，则拇指的方向就是主轴正端进动的方向。
2.自由陀螺仪的视运动1）视运动现象自由陀螺仪主轴具有指向空间初始方向不变的定轴性，若使自由陀螺仪主轴开始时指向太阳，它将始终指向太阳，我们将自由陀螺仪主轴的这种运动称为自由陀螺仪的视运动。
自由陀螺仪的视运动是其主轴相对地球子午面和水平面的运动。
使自由陀螺仪产生视运动的原因是地球自转。
2）自由陀螺仪的视运动规律图2-1-22 地球自转的角速度用ωe 表示，分解为沿水平方向的分量ω1和沿垂直方向的分量ω2：ω1=ωe ·cos ϕω2=ωe ·sin ϕ将自由陀螺仪主轴与子午面的夹角称为主轴的方位角(azimuth)（用α表示），主轴与水平面之间的夹角称为主轴的高度角(elevating annealing)（用θ表示）。
自由陀螺仪主轴相对子午面北纬东偏，南纬西偏；自由陀螺仪主轴相对水平面东升西降，全球一样。
自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动速度： V 2= H ·ωe sin ϕ (V 2的大小随ϕ变化)自由陀螺仪主轴相对水平面的运动视速度：V 1= H ·α·ωe cos ϕ （V 1的大小除了随ϕ变化外，还随主轴的方位角α变化）3.变自由陀螺仪为陀螺罗经1）自由陀螺仪主轴不能指北的原因地球自转角速度的垂直分量ω2使自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动。
2）变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法控制力矩(controlling moment)（用M y 表示）：为了克服由于地球自转角速度的垂直分量ω2使自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动，向陀螺仪施加的外力矩；控制力矩必须作用于陀螺仪的水平轴。
3）陀螺罗经获得控制力矩的方式按力矩的产生原理不同：直接产生法和间接产生法；按力矩的性质不同：重力控制力矩和电磁控制力矩；按力矩的产生方式不同：三大系列罗经的三种主要方式。
（1）安许茨系列罗经获得控制力矩的方式将陀螺球重心下移的直接控制法获得控制力矩。
控制设备(controlling device)：陀螺罗经产生控制力矩的设备（器件）。
陀螺球(gyrosphere)：安许茨系列罗经是将双转子陀螺仪固定和密封在金属球内。
陀螺球具有主轴（ox轴）、水平轴（oy轴）和垂直轴（oz轴）。
陀螺球的重心G不在其中心O，而是沿垂直轴下移几毫米。
t = t1时，陀螺球位于A1处，此时主轴水平指东，θ = 0，重力mg作用线通过陀螺仪中心O，重力mg不产生力矩（虽有力但力臂为零）。
图2-1-23t = t2时，随着地球自转，当，陀螺球位于A2处，此时主轴上升了一个θ角（ θ≠ 0），重力mg作用线不通过陀螺球中心O（有力臂a），重力mg的分力mgsinθ产生沿水平轴oy向的重力控制力矩M y：M y= mgsinθ ·a≈ mg a ·θ= M·θM = mga 最大控制力矩控制力矩的大小与罗经结构参数和主轴高度角θ 有关 控制力矩M y使主轴产生进动速度u2，它使主轴正端自动找北（向子午面进动）。
根据赖柴尔定理：动量矩H矢端的线速度矢量u与外力矩矢量M大小相等方向相同：u= M陀螺罗经控制力矩M y使罗经主轴产生的进动速度：u2= M= M·θy安许茨系列罗经称为下重式陀螺罗经，控制力矩为重力力矩，属于机械摆式罗经。
（2）斯伯利系列罗经获得控制力矩的方式在陀螺仪主轴两端，加装液体连通器(liquid communicating vessel)的直接控制法获得控制力矩。
控制力矩的产生的方式：图2-1-24液体连通器：斯伯利系列罗经产生控制力矩的设备是在陀螺仪主轴两端加装液体容器，内充一定液体，液体可在两个容器之间流动。
当陀螺仪工作，t = t1时，陀螺仪位于 A1处，此时主轴水平指东，θ = 0，两个容器中的液体数量相等，液体重力mg作用线通过陀螺仪中心O，重力mg不产生力矩。
随着地球自转，当t = t2 时，陀螺仪位于A2处，此时主轴上升了一个θ角（ θ ≠0），低端容器中液体比高端容器中液体多，多余液体的重力mg作用线不通过陀螺仪中心O，力臂不为零，mg的分力mgsinθ 产生沿水平轴oy 向的重力控制力矩M y： M y= 2R2Sρgsinθ≈2R2Sρg ·θ= M·θM = 2RSρg为最大控制力矩。
液体连通器产生的控制力矩的大小与罗经结构参数和陀螺仪主轴高度角θ有关。
控制力矩M y沿oy轴的方向将随θ角的方向而定，使主轴进动的速度用 u2表示，它使陀螺仪主轴负端自动找北（向子午面进动）：u2= M= M·θy斯伯利系列罗经，为液体连通器罗经，重力力矩，机械摆式罗经。
（3）阿玛-勃朗系列罗经获得控制力矩的方式采用电磁摆(electromagnetic pendulum)和水平力矩器(horizontal momentat device)的间接控制法获得控制力矩。
控制力矩的产生方式：图2-1-25阿玛-勃朗系列罗经的控制设备由电磁摆和位于陀螺球水平轴上的力矩器组成。
当陀螺球工作，t = t1时，若设陀螺球主轴水平指东，θ = 0，电磁摆不输出摆信号，陀螺球水平轴的力矩器不工作，不向陀螺球施加控制力矩。
随着地球自转，当t = t2时，陀螺球主轴上升了一个角度（θ≠0），电磁摆输出摆信号，经水平放大器放大后，送给陀螺球水平轴上的力矩器，力矩器工作，向陀螺球水平轴施加电磁控制力矩M y：M y= K y ·θK y,罗经电控系数，由罗经结构参数决定，如摆信号放大倍数，力矩器的参数等。
控制力矩的大小，与罗经的结构参数和陀螺球主轴的高度角θ有关。
罗经的结构参数可以改变，这是此种罗经的一大优点。
控制力矩M y 沿oy轴的方向将随θ的方向而定，它使陀螺球主轴正端自动找北（向子午面进动），主轴进动的速度：u2 = My=K y•θ阿玛−勃朗系列罗经是通过电磁摆和力矩器获得的电磁控制力矩，电控罗经。
4）陀螺罗经主轴的等幅摆动通过对自由陀螺仪施加控制力矩制成的陀螺罗经，罗经主轴只具有自动找北的能力而不能稳定指北，其自动找北的运动轨迹是呈扁平的椭圆轨迹。
这一椭圆运动轨迹的中心位于子午面内，椭圆的两长半轴相等，两短半轴也相等，因此椭圆运动轨迹是等幅椭圆。
罗经主轴作等幅椭圆运动（自由摆动）一周所需要的时间，称为陀螺罗经的自由摆动周期(period of free -oscillation)T 0。
自由摆动周期T 0的大小：图2-1-26 T 0 =2πH M ωe cos ϕ式中ωe cos ϕ为地球自转角速度ωe 的水平分量。
陀螺罗经的自由摆动周期与罗经的结构参数（H、M）和纬度有关。
T 0等于84.4min时，称为陀螺罗经的理想自由摆动周期，这时若船舶机动航行，船上的陀螺罗经将不产生第一类冲击误差。
