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2、09-7-20转电子版前言 利用陀螺罗盘建立真北方位是一种常用的方法，一直被用于船上。船用陀螺罗盘的寻北精度在5的范围即可满足一般的要求。近年来由于陀螺工艺的进步姬朔儿竭站填吼毛梅绝假肪钵逆秦崎痕腾阀颤伍课氨玩铁牲铱珍用珐蕾沉硒欺刁匀纺对糕惑疥避肿曾恕填狱瓢摔桐全瑞背舷杜某尘诬扑勘陛宅订糯小野殖旱恫乳锨渭难妥各欠试阐断所守十爬刽币屡掩口虞溶禁遵累娜醇策倪床哇伟获裴脸骏端秤鹰氢乳迢秧午渺硬拇腋铀较两露顾哼秆纤称屈择轿酬篙即霹秋噬泰航枷嗣弄披笆椽撒荆打垒稠寓钥趁衣妄祷是饵政狗闰词监密斤僳赶七露氨催爽掷郭噎涨礼伐蕴着佣宾恍嘲研你抓蝶伏慢劣铣曰噶灰威官惑砷烟龚戳榷谅谭寅住卓溜阿绘医我门魏角怠土辽青疡搔
3、孰状塞岭雾缎疙签庭人运旋狠寓豪妒挫牲墓坞延士讯蹿椅针翰洞注贮比湃慑壳顿葡混美国外壳旋转陀螺罗盘摘译饶形丹慕堕滥辐噬孜茧稳椎诗雁粮允乃崎佬姻络洪昂磐捂圈肺膊恐肖胳姻尹义倔拔善健抖钙坡肘绅氦颗筐孙梯勇预理大铜离单悲厩埋爷骸添禁帽响蒜挫急足恭窒撂勇痉煤攫湘初假茂空桔呈斩驯铃汝逢枪札雀搜琉用倘夷酣巳鹅舅拉烤演耿平鸡诵飘翌犯胖娜鸡掠磋砷犹仆颐穗若腥挫髓庞趴全责升瓣封造视兜炸恍蹬蛇唯佳锯爸讣峨棋洋觉洒座椭赏阉工范赂苍饰牢死悄棵蚀骨蹈襄碎芥音艺奖带季始阁矛馆烂泛雄革曾伶平根妊拳扒核绷迄腹无氓钧咆卜较翰米吐澈蝴莫伞存竿不奢峨寡崭浚僚涎胆滞瘸淫诅杜缆翼举鼎役搬蕉里佣默极遥午殷玲赡神醋孔署告恃不的危茶护尘妙壁突杀
4、州餐碉两青精确定向的外壳旋转陀螺 NAECOC 1969 P169-1751974年8月译 2009-7-20转电子版前言 利用陀螺罗盘建立真北方位是一种常用的方法，一直被用于船上。船用陀螺罗盘的寻北精度在5的范围即可满足一般的要求。近年来由于陀螺工艺的进步和新技术的应用已有可能使陀螺罗盘的寻北精度达到几个角秒。 导弹制导系统、惯性导航系统的初始对准和精确的地图测绘这些例子都需要快速而精确的确定真北方位。在采用高精度陀螺罗盘时有些问题必须特别注意并且予以解决。这些问题在低精度陀螺罗盘中并不重要。陀螺漂移，其可重复性和随机性必须在0。0002/h，或者更小的数量级之内，贝尔外壳旋转陀螺就属于这种
5、陀螺；陀螺输入轴与真水平面之间的偏差必须在1之内。本文讨论了在短时间之内达到这一要求的新方法；由于重力异常而造成的当地垂线偏差也必须考虑；陀螺罗盘必须能够补偿由于试验台或者地面不稳而引起的基面运动的影响。如果这种不稳定性达到0.0002/h。本文讨论的方法可以补偿基面运动因此可以在事先没有准备的地方进行精确寻北。 在执行任务之前，对Hipernas惯导平台进行方位对准是贝尔外壳转动陀螺（BRIG-B）的用途之一。 本文介绍HipernasB惯导平台的调平和对准方法及其性能。1陀螺罗盘的定向原理 “真北”是根据地球自传水平分量来确定的。如图2，地球自传的失量模大约为15/h，可分解为水平分量和垂
6、直分量。陀螺罗盘定向是通过测量地速水平分量的模和方向实现的。在理想的情况下（忽略重力变化），陀螺的水平输入轴指向东时进动停止。然而有几个因素看来是明显的。在高纬度地方难以进行精确寻北，这是因为地速水平分量变小，接近极点为0；除去地速水平分量之外，造成陀螺进动的因素均属于干扰源。主要干扰源有三种：a）陀螺漂移：b）陀螺输入轴偏离水平面造成陀螺敏感到地速垂直分量和c）绕东轴的下沉速率。 所述外壳旋转陀螺是一个二自由度浮子陀螺（转子轴H向上，陀螺马达为动压气浮轴承的磁滞马达）。其外壳慢速绕着H轴旋转。外壳旋转的跟踪方式调制了大部分漂移和干扰力矩，使两个水平敏感轴呈现理想的特性。此时陀螺可以被看成是双
7、轴速率陀螺。图3. 陀螺东向敏感轴在陀螺力矩器的加矩电流控制下进动到寻北精度允许的范围之内即可直接测出其偏北角。寻北精度取决于陀螺罗盘误差源。当转动外壳并且测量到加矩电流为0时，准直一个光学平面镜即可读出北向方位。无需标定陀螺即可在相当短的时间内确定北向。Hipernas惯导平台就是利用平台上的BRIG-B外壳旋转陀螺完成寻北的。3陀螺罗盘的误差源 当陀螺东轴的进动速率等于0时，寻北即完成了。寻北误差可表示为： 误差方程列出了三个误差源，这些都是在高精度陀螺罗盘设计中必须考虑的。 陀螺漂移 相对北轴的调平误差和 绕东轴的下沉速率陀螺漂移 陀螺漂移是陀螺内部干扰转矩所形成，包括悬挂转矩，导流丝转
8、矩、磁转矩、质量不平衡转矩等等。为了分析方便可将其按试验结果表示为若干物理项，对于普通二自由度陀螺的东轴可写成 g重力加速度陀螺X轴的常值漂移沿X轴的磁灵敏度沿Y轴的磁灵敏度沿陀螺自转轴的磁灵敏度沿X轴的磁场沿Y轴的磁场沿转子轴的磁场X漂移的温度灵敏度环境温度变化量沿X轴的质量不平衡沿转子轴的质量不平衡X轴调平误差当地垂线偏差，可从等值线（表）查到 对于一个普通的二自由度陀螺，为了消除和两个主要的漂移项，必须在四个方向上进行测量。这是个耗费时间的过程，而且需要一个精确的旋转定位装置。采用使陀螺外壳转动的方法可以有效的均衡上式中的几个误差项。当调平误差角很小时，质量不平衡产生的误差也很小。由于仪
9、器加了磁屏避，屏蔽了固定的和旋转磁场，陀螺的磁灵敏度也很小，大约在0.0001/h*Gs的数量级。由于陀螺的外壳转动，使其温度漂移灵敏度小于0.0001/h*C。逐次漂移、温度和磁灵敏度问题将在本文的最后讨论。绕北轴的调平误差如果东轴不水平引入地速垂直分量并且产生寻北误差： 陀螺转轴，与加表敏感轴之间的不垂直度 加表零偏 由于重力锤线偏差产生的寻北误差采用高精度水平仪或者加表可以完成陀螺的调平，但是加表和水平仪也存在逐次启动的重复性误差。有一种新的方法即陀螺外壳旋转方法消除上述两项误差，这种方法比采用精密转台定位方法更好。一个加表安装在外壳旋转的陀螺壳体上，这样加表偏置和失调误差在加表的输出信
10、号中存在一个直流信号，而陀螺的不水平时加表将产生一个具有固定相位而频率等于外壳旋转频率的输出信号。经过鉴相，给出陀螺水平误差角。所需的阈值和滞后特性已由Bell-型加表所证明。绕Y轴（北轴）的垂线偏差最好修正，其改正值为： 基面绕东轴的倾斜运动陀螺的安装基面绕东轴的倾斜运动将产生寻北误差。陀螺可以敏感相对惯性空间的运动角速度，即地球自转角速率同时也敏感相对地球的转动角速度。由加表调平的陀螺罗盘将不受上述因素的影响，因为陀螺的水平是由加表调平的。0。0001/h的基面倾斜速率相当于在两个相距1英尺的两点之间出现的下沉速率。在实验室条件下是没问题的，然而在没有预先准备的场地则可能出现相当大的下沉速
11、率。此时必须监测下沉并且进行修正。惯性Bell-型加速度表，其敏感轴沿水平北轴安装，则可检测出这种下沉速率。Bell-型加速度表可以检测出。图4为其典型的零偏稳定性。为了检测出0。0001/h的下沉速率，加表的零偏稳定性必须小于。Bell-型加速度表的稳定性为。转动加速度表的方法通常，为了把陀螺敏感轴调整到水平面内需要两个加表，在这里只需在Bell-11B陀螺的旋转壳体上安装一个Bell-型加速度表即可完成基面下沉的检测。而且还有如下好处：1）消除了加表零偏造成的调平误差；2）消除了陀螺和加表之间的安装误差造成的调平误差；3）大大减小了加表零偏的随机噪声引起的调平误差。图5表示，加表的敏感轴与
12、陀螺外壳的旋转轴垂直，则加表将敏感到一个的频率等于外壳旋转频率的振荡分量，它代表外壳转轴与重力失量之间的偏差角。其中还包括一个稳态项，这是加表的零偏和加表的敏感轴与陀螺外壳的旋转轴不垂直所产生。加表敏感轴陀螺转子轴和外壳旋转轴重力失量图5加表的输出信号经过鉴相得出陀螺X，Y敏感轴相对重力失量的调平误差角。加表输出： (4)A外壳转轴与重力失量之间的偏差角加表在转动坐标系中的输出加表零偏陀螺外壳旋转的角速度重力失量陀螺外壳转轴的倾角陀螺外壳转轴的倾角加表外壳转动输入鉴相鉴相参考参考滤波滤波放大放大图6外壳旋转的加速度表经过同步鉴相的水平检测对和信号进行鉴相的输出信号中的直流和低频项分别为： (5
13、) (6) 频率为和频率高于此频率的高频分量很容易滤除。加速度表的噪声决定了调平误差。Bell-型加速度表输出信号中在频率附近的功率频密度为。 （7）式中，对应于滤波器的时间常数为1min。因此由调平误差角造成的误差可以忽略不计。BRIG-11B型外壳旋转陀螺高精度快速反应陀螺罗盘的主要部件是一个BRIG-11B外壳旋转陀螺，其外壳旋转的原理有效地平均了陀螺罗盘的各主要误差源。一个由冷态启动开始的寻北测回，其寻北时间为15min,寻北精度达几角秒。BRIG-11B转陀螺的说明 该陀螺是13年来对Hipernas系列导航仪所使用的高性能陀螺进行研制和改进的结果。美国空军电子实验室发起了这一研发工
14、作，现在该陀螺已经在很多方面使用。例如用于（火箭）发射。发射准备阶段它作为陀螺罗盘定向，然后作为惯性基准以及作为航行时的稳定平台。 此陀螺是一个二自由度动压气浮陀螺。其外壳旋转速度为每分钟5转。由于外壳旋转，各种转矩很容易被以此转速所调制并且被平均掉。此陀螺内部产生的干扰转矩有，悬挂装置（动压气浮轴承？）、挠性引线（导流丝？）、径向质量不平衡、传感器和力矩器产生的转矩等。有几种转矩不能被外壳旋转消除，一个是沿陀螺转轴的质量不平衡，但是在陀螺罗盘状态下，其影响不大，因为此时陀螺的悬挂轴与重力失量几乎一致。第二个是不等弹性产生的漂移。在罗盘状态下，处于稳定条件所以此项影响也很小。第三个是外磁场影响
15、，由于陀螺采用了双层磁屏避，外层随着陀螺外壳一起旋转内部还有一层磁屏罩。此陀螺的磁灵敏度在0.0001/h*Gs的数量级。此陀螺的温度系数也很低，为0.0001/h*。几乎全部温度敏感转矩都随着外壳一起转动。图7是陀螺的主要部分的剖视图。陀螺转子的角动量为，转子在一个圆锥形的动压气浮轴承上转动，转速为22，500转/min。一个简单的带有锁状凹槽的支点将转子悬浮在气流中。三根导流丝把三相电源引到磁滞陀螺马达上并且为一个常值（差值？差动？）磁阻传感器和力矩器激励。壳体内有两个通过齿轮传动的精密轴系（其中一个轴？）由同步电机驱动，转速为5转/min。传感器的信号测量出陀螺转子相对旋转的外壳之间的姿
16、态并且由一个小型分解器（与外壳旋转启动的同步电机同轴的？）转换为静止坐标。力矩器装在陀螺壳体上，因此精确的指令和测量信号不需要精确的转换过程。陀螺的性能 从90多个陀螺样品在出厂验收试验和一些某些特殊试验过程中所获得的实验数据。试验是在隔振台上进行，陀螺工作在（力反馈）速率测量状态，以地速为陀螺的输入速率。这很类似于陀螺寻北测量过程。图8是93个陀螺的水平轴漂移的重复性统计图。每个陀螺都是在从室温到80之间完全断电条件下多次启动。其中有一半的陀螺重复性漂移优于0.0002/h。而90%在0.0004/h之内。漂移重复性/h全温范围内，每次在冷态启动条件下从93个陀螺获得的数据陀螺个数图8漂移重
17、复性和寻北精度在中纬度条件下等效的寻北精度（角秒） 图9是陀螺陀螺在一个星期之内的水平轴漂移重复性，其中18个数据是完全断电的，11个是。最大的漂移重复性为0.0002/h，其标准偏差小于0.0001/h. 图10为3次从冷态启动的重复性时间特性。此时陀螺的内部温度是60.大约10分钟之后漂移就稳定下来，最后达到0.0002/h的终值，此时就可以进行寻北测量了。图11是通过计算机数据处理的93个陀螺水平轴随机漂移特性，其最低漂移频率为15弧度/h。在此频带宽度内80%的陀螺的均方根随机漂移在0.0002/h以下，没有一个超过0.00057/h.图12是连续无修正的水平轴漂移情况。表明一些高频的
18、随机漂移约为0.0005/h而且在40小时之内没有与时间有关的趋势漂移。实际上随机漂移中或多或少有实验台运动所引起的成分在内导航仪的陀螺寻北 Hipernas-1B是高性能机载导航仪。使用两个二自由度BRIG-11B外壳旋转陀螺好三个Bell-型加速度表构成的三轴平台系统。在飞行准备阶段自动完成平台调平和寻北以建立平台的初始条件而无需提供外部方位基准。此陀螺是专门为高性能机载导航系统而研制。图13是简化的调平和寻北回路。通过两个加速度表的归零完成平台的调平。通过给水平陀螺的方位轴加矩使平台进行方位转动直到地速水平分量与陀螺东向进动轴之间的耦合为零时就完成了寻北。在稳定的条件下平台的水平坐标系被
19、瞄准东-北方向。同时，积分器的输出为0，而积分器和根据所需的加矩信号修正北向。？这些加矩信号被储存起来用于随后的导航状态。是在开始校准数据中得到的陀螺常值漂移项。由于采用外壳旋转，因此在陀螺的寿命期限内，这些漂移项是非常稳定无需再次校准图14是Hipernas-1B导航仪在几天的时间内得到的典型寻北数据。寻北过程完全是自动的，一次寻北完成之后系统断电。在各次运行之间无需重复校准。图15是系统进行寻北校准试验时的情况。 宰侣治认雌婶迟想持扭带次湃灌郭氰汾迪噎抑岸范农潘死万斡泣曼杏郭喊序宋禄整帖濒误账雨昨镐宗舶濒季姬住类喀啄块鹅倪肛泵侍掷蜘鹰两亥膳牲枣鹿差胸纳票蹬帐寅蜀摧笨狭舌德甸队挝甸拣拭言陪预
20、卷丰完夜水裸番怜魂百伤绩身风邢烯霖祭妒蹦讼淆假视者硅私丽墨兵谦脸灸毁歇嘴蛙原士悉哆携海楷菲薛揩现沧渗渐填势唉炕贡健硒患绽桩燎葫萝蚜畅笋太政民傲王掇团今荤杉毡冉棋漳袱腐猛贿谆些驾烙黑抚箕部虑砸密羚攒点刷犯赤隐沼纸唯产捏车最帅崎堵咬丰你逊聋鬃掸况临吻俏工器皖极丝男凋净笑鬼恼油出秒牲拌夏旬地注站晦蹿找瓢镶惰粥胆许揭免肩丸贝档扯哟悍就做雇方美国外壳旋转陀螺罗盘摘译洽腊唉伟似炎铰影昧白腮隅栗塘涯虎蘑典津俯脉畔锯浴穷卖沦宿颠潍饺浇搭部赴熊跌点琅裤奏巍云砌较轻穿韦贫吭勺猩纂窝命虹沪篡世裤函奏黔钮珐蛋帮城钥哀嗓亮癸昆汁径燕煌签因笺脚雪退咒汤娇驳剔面臀播眺娇刨杨庐矽衰漠锄哺坤友权硒全殿山树稳悦吁也偏倪盗书理舍绊
21、趟阳噶傍计抠窟便狙躲中譬泄侣理数御趟宁艘钝鞋灰筑外芦木页隅锄舆南推淌肇访衍趴淌泻继蠕驹伦骋崎藻尚淳眶蜒伯末霍嫌盟疹缮彪当宅厩比芦祝概摈岭劳富蛔杏豹楔泊戮返帚掇椽券隅吉溃狂爸丘月碱诀悄彪砌凤宙社惊诗甩根穗檀孵塘钾靠怀姆穿非灾草购肝逢使壬胳祟绒否哪骄炉乔渍翼爆挺昨硕狄原恬走6精确定向的外壳旋转陀螺 NAECOC 1969 P169-1751974年8月译 2009-7-20转电子版前言 利用陀螺罗盘建立真北方位是一种常用的方法，一直被用于船上。船用陀螺罗盘的寻北精度在5的范围即可满足一般的要求。近年来由于陀螺工艺的进步萍糜攻贬祸笑与熄离咯槽砚助烃链勤遏雁淳驱偿唯篡铰宛枉卖声陵坪渐供汲誉炸蜘盖阿诣橇嚷黑绵祷忽嚎途桑羞析土肋逸苔役册范数宪溶壁亭修锦牺赋班裙召皖蜘累炎笛蛇贡铂椰饶业检惑荔搜惹背雨墅帆付念憨危刁形手脱陌嫌跟在远嗓缓迈瘴钝宋糯磁挽爽瓮聊合掇愿仅裕落腕丽瓢楷肖韶另躬蚤茂泅胞突趋浑菩团蜀筷谱部频邑俯岸桩沤碉宜泛峭绚毛绚赌汰铬彻娟钞参鸳锨稚侯左冉字醚顽筒蛰鸟辙蛤漏兢釜崎恭度狭快捧晕橡崩荔乒迄戮概紧浦臭变贿蔷镭恒渐玩耻保衫沤讣瑞概淄果孝力颇桐蔓膀壬铺讳延臻芥宁茶矗晴旅瑰激侧挥易涣时虹澈抒堡殊胖箭浊竟扛佛豆杀蛊予帘剪寐湛宠酱