摆式陀螺寻北仪步进寻北原理

陀螺仪工作原理
地球以角速度E ω(E ω=1周/昼夜=7.25×10-5rad/s)绕其自转轴旋转，故地球上的一切东西都随着地球转动。

如从宇宙空间来看地轴北端，地球是在作逆时针方向旋转，其旋转角速度的矢量E ω沿其自转轴指向北端。

当陀螺仪在北纬某地设站，其主轴无论是方位角（相对子午线）和高度角（相对水平面）都不停地发生变化。

由此可见，陀螺仪主轴在地球上的视运动，不仅与纬度有关，还与主轴与子午面及水平面之间的夹角有关。

（1）重力矩P M βsin pl M P =
重力矩进动角速度p ω:H pl p /sin βω=
l-陀螺悬挂点O 至重心O ´之间的长度
P-陀螺灵敏部的重量
β-陀螺主轴与地平面之间的夹角（高度角）
H-陀螺转子的动量矩（角动量）重力矩进动角速度p ω。

综合前面所述，摆式陀螺仪围绕子午面左右摆动是重力矩和指向力矩综合作用的结果。

随着地球自转，陀螺仪主轴X 的高度角发生变化形成重力矩，使陀螺仪产生进动效应。

而地球的自转又使陀螺产生指向力矩，使陀螺仪的进动围绕子
午面进行。

当陀螺仪主轴X越接近子午面，指向力矩越小，当X轴指向子午面（即α为零时），则指向力矩为零，但此时陀螺仪因惯性的作用以最快的速度通过子午面。

当陀螺仪主轴X远离子午面时，相反方向的指向力矩使陀螺仪的进动速度慢慢降低，直至达到平衡点而停止。

然后，在指向力矩的作用下，陀螺仪主轴X 又向子午面方向运行，周而复始，使陀螺仪围绕子午面（真北方向）做摆式运动，实现了真北定向的目的。

关于陀螺摆的阻尼陀螺摆的运动特性十分复杂，除去进动和章动之外，国外学者为此推导了大约5种单摆动运动方程。

此外，陀螺摆的各种运动之间往往出现相互转换。

对于摆式陀螺寻北仪的寻北测量来说，除去进动（方位轴的进动和俯仰轴的进动）之外的其他运动都属于干扰运动。

这些干扰运动大部分产生于外部干扰（例如开锁动作和基座振动），另一部分产生于内部干扰，例如陀螺马达的运转噪声等等。

干扰运动不仅造成摆动运动的观测误差而且可能形成所谓“整流力矩”，使陀螺摆的寻北零位产生偏移而造成寻北误差。

为此设法消除干扰运动十分必要。

通常，最大的干扰源是来自陀螺摆开锁过程的干扰和外部机械干扰，因此最直接的方法是改进锁放机构和隔离外部干扰源即从干扰源头处理。

但是在实际工作中上述方法往往不能达到满意的结果。

为此提出了采用摆动阻尼技术，使寻北仪本身具有阻尼干扰运动的能力，而又不影响陀螺摆的正常工作。

陀螺摆(陀螺房)的运动可以简单的分解为六个自由度运动：(1)陀螺房(质心)沿X，Y，Z三个轴向的平移运动(2)以陀螺房下端悬挂点为轴，绕X，Y，Z 三个轴向的转动其中有效运动是陀螺房的方位进动运动，即沿Z轴的低频方位进动，和沿水平X轴的低频俯仰进动。

陀螺房质心的上下移动也应该属于有效运动。

也就是说，沿X，Y，Z三个轴向的平移晃动和沿H轴的转动全部是干扰运动。

而沿Z轴和沿水平X轴的转动运动中既有干扰运动又有“有效运动”。

干扰运动往往夹杂在有效运动中。

章动运动只表现为沿两个水平X，Y轴的高频转动。

有效运动中，沿Z轴的方位进动是寻北测量过程中的主要测量对象，建议称为“主运动”，而沿水平X轴的俯仰进动则是一个与方位进动同时出现的“寄生运动”，尽管我们不喜欢它。

实际上，除去俯仰进动之外还有一个往往被人忽视的“寄生运动”就是陀螺房质心沿铅垂线的上下移动，其位移量十分微小。

在出现干扰运动时，这些干扰运动通常也会（以高频分量形式）混入(或者是转化为)低频方位进动分量和俯仰进动分量中进而形成寻北测量误差。

摆式陀螺寻北仪的干扰运动和干扰力矩1999.09.09.说明：关于摆式陀螺寻北仪存在整流力矩的问题在一些资料中提到过，其形成过程和原理分析报道不多。

以下分析，基本上是个人(若干年前)的看法，不见得正确，即使有正确的内容，其分析的深度也有待进一步研究完善。

即使如此，相信这些内容对摆式陀螺寻北仪的研究者也会有一些启发作用。

1概述由于陀螺特性和特殊的悬挂方式，架设在三角架上的摆式陀螺寻北系统在陀螺房的开锁释放和基面振动，甚至陀螺马达发热形成的热气流及陀螺马达转动噪声产生的干扰使陀螺摆呈现复杂的力学过程，即干扰运动和干扰力矩这两种力学效果。

通常，两种力学过程不是独立的而是在不断相互转化着。

凡是与转矩有关的干扰,无论是“原型”转矩还是”转化”转矩,对寻北精度的影响,均与测量纬度有关。

这是需要注意的。

2理想悬挂和摆的运动为了分析方便，这里提出理想悬带和理想悬线的假设（本人的观点）。

2.1. 理想悬线理想悬线具有如下特征：第一，悬线的扭转刚度、弯曲刚度均为0；第二，悬线的拉伸强度为无穷大，拉伸变形系数为零(即无论多大拉力,拉伸变形量总是为零)，而压缩变形系数为无穷大(无论多小的压力,都可将长度压缩为零,也即不能承受也不能传递任何压力)；第三，悬线在承受各种力学作用时不存在内部损耗；第四，悬线无质量，即在运动时(转动或平移运动)无惯性。

第一个特性表明，理想线不具有直接传递扭力的能力，除去承受悬挂重力之外，对被悬挂体的任何转动运动不存在任何限制(磁悬浮系统即如此)；第二个特性表明，理想悬线可以沿悬线方向无滞后地传递任何大的拉力而不出现任何变形量但是却不能传递任何微小的推力（磁悬浮系统与之不同）；第三个特性表明，理想悬线对悬挂体的运动机械能没有衰减作用（磁悬浮系统近似如此）；第四个特性表明，理想悬线不影响对悬挂体的动态特性（磁悬浮系统的摆杆的转动惯量增加了陀螺摆的转动惯量）。

2.2.理想悬带在个别情况下，如在研究悬带受扭条件下寻北过程时，则假设理想悬线只具有绕悬线方向的有限而恒定的扭转刚度特性，在此建议称之为“理想悬带”。

摆式陀螺寻北仪的力矩测量方法和力矩器设计问题2000.01.03.声明以下大部分是本人观点，可能是错误的！1摆式陀螺寻北仪及其力反馈测量悬挂摆式陀螺寻北仪是目前使用最广的一种陀螺寻北系统。

它能在几十分钟到几分钟内准确地测定出天文北，而不需要观测天星或地面目标。

仪器的主要部分是一个用恒弹性金属悬带自由悬吊着的陀螺房，其内部装有高速旋转的陀螺马达，马达的转轴即H 轴呈水平放置。

由于陀螺房的悬挂点在其重心下部，因而构成一个能敏感地球自转加速度水平分量的陀螺摆。

在地球自转运动的作用下H轴将绕铅垂方向作正弦摆动。

当悬带不受扭时(通常可以通过上悬带夹跟踪方法消除其扭力影响)，H 轴摆动的平衡位置即为真北方位（严格说应该是在子午面内）。

可以有许多不同的方法测得这个平衡位置，如逆转点方法（最原始的方法）、时差方法、周期积分法（十五所转给测绘所的方法）、循环阻尼方法（目前十五所在研陀螺经纬仪使用的方法）和力反馈回路测量方法等等。

为了加快寻北过程和提高寻北精度,国外新一代摆式寻北仪普遍采用了加矩控制和力矩测量（即力反馈）技术.与ALINE 寻北仪使用的H 轴慢速北向逼近方法不同，力反馈寻北测量方法不是使H 轴逼近北而是在力反馈回路控制之下使H 轴停留在粗寻北结束时的偏北位置上，在此位置上测量出用以平衡陀螺指北的力矩值并根据测量值推算偏北角以此加快精寻北过程。

此时不存在循环逼近方法中存在的剩余死区。

所谓力反馈回路，是通过一个力矩伺服控制回路控制的力矩器为陀螺施加与陀螺指北力矩相互平衡的力矩，力矩器的控制电流正比于平衡力矩的大小。

因此陀螺指北力矩的测量被转化为力矩器控制电流的测量。

也可以说此时将原来的自由陀螺陀螺（或称位置陀螺）变成速率陀螺了。

为了滤除随机干扰，通常经过对力矩电流进行积分或者数字滤波处理获得平均电流值。

在忽略H 轴的微小倾角和干扰力矩的情况下可得到简化力矩平衡方程:Ne T T T H I K M idt T K M αλωsin cos 1101⋅=⋅=⋅=⎰ (1) 式中K T 为力矩器系数。

目录1 陀螺及其特性 (1)1.1陀螺 (1)1.2摆式陀螺仪 (1)1.3陀螺仪的基本特性 (1)1.4摆式陀螺仪寻北原理 (2)1.5积分式陀螺经纬仪的定向原理 (5)2Y/JTG-1陀螺经纬仪的主要结构 (6)2.1总体构成 (6)2.2主要技术指标 (7)2.3Y/JTG-1A型积分式陀螺经纬仪工作流程 (8)2.4陀螺仪的机械结构及光学系统 (8)2.5自动积分及测量控制电路 (11)3定向测量作业程序 (13)3.1测前准备 (13)3.2仪器各功能选择 (13)3.3方位角的测量 (13)4作业中的注意事项 (14)5仪器参数的设置 (15)5.1自摆周期和启动不跟踪周期的测定 (15)5.2仪器常数C的标定 (15)5.3时间设置 (16)6仪器的一般调校 (16)6.1管状水准器的调校 (16)6.2陀螺灵敏部悬带扭力零位的调校 (16)6.3激光对点器的调校 (17)7陀螺经纬仪的维护与保养 (17)1 陀螺及其特性1.1陀螺凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身轴高速旋转的任意刚体，都称为陀螺。

如图1-1所示，设刚体上有一等效的方向支点O。

以O为原点，作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。

刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为ωx、ωy、ωz，若能满足以下条件：ωz＞＞ωωzωz≈（1-1）OZ后者称为进动运动。

1.2摆式陀螺仪摆式陀螺仪如图1-3O下移到O′G的作用，而永远趋仪具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度，故也称为二个半自由度陀螺仪。

1-陀螺转子2-内平衡环3-外平衡环4-底座图1-2 三自由度陀螺悬挂装置图图1-3 变自由陀螺仪为摆式陀螺仪1.3陀螺仪的基本特性陀螺仪有两个非常重要的特性，即定轴性和进动性。

对于由高速转子组成的陀螺仪来说，不管它们的用途如何不同，结构上如何变化，它们都是按照陀螺的这两个基本特性来工作的。

为了说明自由陀螺仪的两个特性，可用如图1-4所示的实验仪器做一个实验。

摆式寻北仪悬吊零位及其自动调整方法1悬吊零位--静摆零位和动摆零位所谓悬吊零位，是指陀螺摆悬吊系统在无外力矩(包括各种干扰力矩和陀螺指北力矩在内)作用即自由悬吊状态时，陀螺转子轴理论旋转轴线的水平投影与上悬吊装置的相对位置。

当陀螺马达静止状态时，此悬吊零位可称“静摆零位”，当陀螺马达处于同步旋转状态时可称“动摆零位”。

自由悬吊的陀螺摆将不可避免地感受地速的影响，因此动摆零位是不易直接测量的。

又由于我们不可能完全消除所有的干扰力矩，因此动摆零位也只能近似的测量。

当采用光电摆动敏感器和加矩测量时,悬吊零位转化为自由悬吊状态下闭环加矩系统的零偏加矩电流.2静摆零位和动摆零位的关系理论上讲，两个零位应该是重合的，但由于多种因素的影响，这两个零位将不完全重合。

实际上，真正影响寻北精度的是动摆零位而不是静摆零位。

但是由于存在地速的影响，动摆零位很难用简单方法进行观测，而近似静摆零位则比较容易观测，且静摆零位的变化必然导致动摆零位的改变，因此通常是通过观测或修正静摆零位来近似代替对动摆零位的观测和修正。

静摆零位可通过光学或光电方法观测并通过手工进行机械调整。

显然，这是一项十分精细和费时的工作,而且很难满足高精度的要求。

为此，寻求快速悬吊零位自动测量和自动修正是十分必要的。

3摆动零位变化和寻北精度的关系就根本的意义来讲，摆式陀螺寻北仪的寻北过程也就说是寻找“动摆零位”的过程。

常见的摆式陀螺寻北仪属于相对测量仪器，其北向输出值必须通过仪器常数标定来确定，因此摆动零位的变化必将产生寻北误差。

4悬吊零位变化的原因悬吊零位变化的原因十分复杂，但是可以简单分为与悬吊系统结构有关的零位变化和由于摆动位置观测系统测量零位变化以及内部和外部干扰引起的零位变化。

a.悬带和导流丝结构变形陀螺房体在交替锁放过程中,悬带和导流机构的弹性后效，环境热变形,应力释放(特别是悬带和导流丝的夹持部位) 产生的变形及导流丝内流过电流时产生的热变形;b 导流丝内的电流直流分量产生的直流磁场流过导流丝内的电流直流分量产生的直流磁场与周围磁场的耦合形成的沿陀螺输入和输出轴扭矩。

0主讲教师2导航基本原理7.17.1 导航基本原理哥氏定理↓1.1.哥氏定理2014.05.23新型惯性器件及其应用22哥氏定理↓1.1.哥氏定理34导航基本原理7.1 导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理457.1 导航基本原理导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理5↓1.1.哥氏定理哥氏定理7导航基本原理7.1 导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理78导航基本原理7.1 导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理897.1 导航基本原理导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理910导航基本原理7.1 导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理10117.1 导航基本原理导航基本原理7.1哥氏定理↓1.1.哥氏定理1112导航基本原理7.1 导航基本原理7.1↓2.比力方程1213导航基本原理7.1 导航基本原理7.1↓2.比力方程1314导航基本原理7.1 导航基本原理7.1↓2.比力方程1415导航基本原理7.1 导航基本原理7.1↓2.比力方程15167.1 导航基本原理导航基本原理7.1↓2.比力方程16↓1.陀螺罗经工作原理↓1.陀螺罗经工作原理197.2 7.2 陀螺罗经与陀螺寻北仪陀螺罗经与陀螺寻北仪↓1.陀螺罗经工作原理陀螺仪主轴在子午面内自由度陀螺仪主轴◆二自由度陀螺仪主轴H 既水平又指北；ωie sin φ的存在，陀螺仪存在视运动，主轴会偏离真北指向；东向没有陀螺视运动出现；19♦对陀螺施加进动力矩，使其绕天向轴以ωie sin φ进动，则陀螺在地理坐标系中不存在相对天向轴的视运动了。

↓1.陀螺罗经工作原理217.2 7.2 陀螺罗经与陀螺寻北仪陀螺罗经与陀螺寻北仪↓1.陀螺罗经工作原理东升西降⎧i 动O E N Z⎪cos sin ωϕγ→↓1.陀螺罗经工作原理↓1.陀螺罗经工作原理↓1.陀螺罗经工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理29陀螺罗经与陀螺寻北仪7.2 陀螺罗经与陀螺寻北仪7.2↓2.陀螺寻北仪工作原理29↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理34陀螺罗经与陀螺寻北仪7.27.2 陀螺罗经与陀螺寻北仪↓2.陀螺寻北仪工作原理两位置寻北数学模型34↓2.陀螺寻北仪工作原理35↓2.陀螺寻北仪工作原理36↓2.陀螺寻北仪工作原理37↓2.陀螺寻北仪工作原理()atan sin /cos ψψψ=38↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理图1 较小干扰时的寻北仪陀螺输出图2 外界干扰下的寻北仪系统陀螺输出41↓2.陀螺寻北仪工作原理↓2.陀螺寻北仪工作原理43↓2.陀螺寻北仪工作原理44。

航天十五所陀螺寻北仪专业回忆(1)记得1970年冬天在太原发射场火箭发射前几天下了一场大雪,后来积雪融化了，就在火箭发射前一天天气突然降温,早上发现发射场坪地面出现很多裂缝,最宽的裂缝足足有三十毫米。

我立刻到方位基准地标附近察看，眼前的场景让我一下蒙了，地标附近也出现大裂缝，显然地标位置被移动了。

发射场用于为火箭发射瞄准的方位基准是地面上安放的三个基准点(陶瓷十字标),瞄准间内的基准点称为“瞄准点”,瞄准窗外大约在射向方向距离瞄准点接近30米远的左右两侧分别设置两个地标，左侧为“方位基准点”,右侧为备份的“方位检察点”，这两个点相距二三十米远。

瞄准点与“方位基准点”的连线（瞄准线）以及瞄准点与方位检查点连线的大地方位角是测量大队经过大约一周的时间精确测量的。

方位基准点附近的地面裂缝走向大致平行于瞄准线则瞄准线的大地方位角就会出现巨大偏差，仅此一项误差也可能造成近1km的弹着点横向偏差，这是不可接受的。

重新测绘方位基准肯定是来不及了。

我立刻将此意外情况报告给发射指挥部。

指挥部领导反问:这种情况下明天是否可以如期发射？我不敢回答。

我一个人无法承担这个责任，于是请来火箭总体和发射基地有关负责人一起仔进一步细查看和分析，发现“检查点”附近的裂缝距离检查点比较远其裂缝走向大体与检察点与瞄准点连线方向接近垂直状态，也就是说备份地标的大地方位角变化量在可能在允许的误差范围内。

大家一致同意利用备份检查点如期进行方位瞄准和发射。

最终发射结果的横向偏差在预定范围之内。

这是我第二次遇到有惊无险的难忘经历。

第一次是曾经遇到下午的阳光进入瞄准仪光管内造成瞄准仪短时间失灵。

上述突然发生的意外让人意识到过去对于地标的保护只限于防止人为有意（阶级敌人）和无意的破坏或者是自然灾害-地震而忽略了这类因素。

在讨论这个问题时测绘大队负责人提到国外采用陀螺经纬仪（以下称摆式陀螺寻北仪）进行快速方位基准测量，还可以用于武器机动发射。

这是我第一次听说“陀螺寻北仪”因此感到十分好奇。

陀螺经纬仪是由经纬仪、上架式陀螺仪、陀螺电源及仪器三脚架等组成。

图示为DJ6-T60型陀螺经纬仪。

使用陀螺经纬仪定向是利用陀螺仪本身的特性(如定轴性和进动性)及地球自转的影响来达到寻北的目的。

在地球南北纬度75°范围内，不受地形条件、气候条件及外界磁场的影响，无论白天和夜间都能测出测站点的真北来。

所测的方位角就是天文方位角。

一、陀螺仪与陀螺电源上图示陀螺的核心是由陀螺马达1装在密封的陀螺房2中，通过悬挂柱3由悬挂带4悬挂起来，用三根导流丝5给陀螺马达供电，在悬挂柱3上装有带光标和物镜的镜管6,它们共同构成陀螺灵敏部。

光标经照明后通过物镜成像在目镜分划板7上，光标像在目镜视场内的摆动反映了陀螺灵敏部的摆动。

图中8表示锁紧限幅机构，拧动仪器外部操作手轮，由凸轮9带动锁紧限幅机构的升降，从而使陀螺灵敏部托起（锁紧）和下放（摆动）。

仪器外壳内壁装有磁屏蔽罩10,用来防止外界磁场的干扰。

陀螺仪和经纬仪部分的连接靠经纬仪上部桥形支架11及螺纹压环12压紧来实现，两者连接的稳定性是通过桥形支架顶部三个球形顶尖插入陀螺仪底部三条向心“V”形槽来达到强制归心。

陀螺电源是一个直流的晶体管电子设备，总体分为两层。

下层是蓄电池箱，内装两组镣镉密封蓄电池，并联使用，端部装有输出插座。

上层是逆变器，使用时由专用导线和蓄电池箱连接，逆变器面板上设有操作指示机构。

二、观测方法（一）粗定向在待定测站上安置陀螺经纬仪，望远镜在盘左位置，并大致对向北方，先进行粗定向。

1.两个逆转点法起动陀螺，当电源逆变器电压为36V时，陀螺达到额定转速。

旋转陀螺仪操作手轮，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪水平制动螺旋，用手转动照准部进行跟踪。

所谓跟踪，就是通过陀螺仪目镜观察，使视场上移动着的光标像与分划板的零刻线随时重合，当接近逆转点时，光标移动速度慢下来，此时制动照准部，用水平微动螺旋继续跟踪，直达逆转点时读出水平度盘读数u1'。

松开制动螺旋，继续向反向跟踪，直达另一逆转点，读出u2’。

步进快速限幅摆式陀螺寻北仪王振业;郭晓松;周召发【摘要】针对摆式陀螺寻北仪存在的限幅效率低的工程实际问题,提出了一种步进快速限幅方法,介绍了该方法的实现原理和步骤,分析了3种主要测量误差对限幅效果的影响,论证了步进快速限幅法在理论上的可行性,最后将步进快速限幅法成功应用于摆式陀螺寻北仪上.设计了相应的限幅试验,利用摆动的平衡位置主动跟踪逆转点,实现了对摆幅的快速精确限制.理论和试验结果均表明:提出的步进快速限幅法保留了传统步进法不需要增加系统硬件的优点,有效克服了采用电磁阻尼法限幅时电磁干扰力矩的问题,保持了限幅的可靠性.基于步进快速限幅方法的摆式陀螺寻北仪能在一个步进周期(约60 s)内实现对摆幅的快速精确限制,较传统步进法可以节省2个以上的步进周期,为缩短寻北时间提供了理论支撑和实践依据.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】7页(P1244-1250)【关键词】摆式陀螺寻北仪;步进快速限幅法;电磁阻尼法;摆幅【作者】王振业;郭晓松;周召发【作者单位】西安高技术研究所,陕西西安710025;西安高技术研究所,陕西西安710025;西安高技术研究所,陕西西安710025【正文语种】中文【中图分类】V241.5;V666.1231 引言摆式陀螺寻北仪是一种能够自主测定真北方向的精密定向仪器，广泛应用于军民各个领域。

随着光电技术、传感器技术及计算机技术在摆式陀螺寻北仪中的应用，摆式陀螺寻北仪已完成了由手动寻北向全自动寻北的成功转变，各种寻北方法也应运而生。

目前，摆式陀螺寻北仪通常采用粗、精寻北相结合的方式来有效提高寻北精度和速度。

文献［1］和文献［2］分析了探测误差对寻北精度和速度的影响，认为精寻北精度一般选择为±10′～±20′。

陀螺灵敏部下放后的初始摆幅受粗寻北精度、下放稳定性及转位误差等因素的影响，很难直接进入精寻北范围，例如，目前较为先进的电子罗盘粗寻北法［3］使用的KVHC100电子罗盘的标称精度为±30′，再加上转位误差和下放稳定性的影响，陀螺灵敏部下放后的摆幅通常为±2°左右，远超出了精寻北的范围，因此，必须采用适当的方法限制摆幅。