專利名稱：一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于尋北儀測(cè)量方法，具體涉及一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
陀螺尋北儀是一種能在靜基座上全天候自動(dòng)指示方位的高精度慣性儀表，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、礦山、隧道、軍事、航空、航天等領(lǐng)域，它依靠慣性元件敏感地球自轉(zhuǎn)角速率水平分量的特性來完成尋北功能。近年來，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，陀螺的品種不斷增多，如光纖式陀螺、激光式陀螺等，但由于種種原因，采用新式陀螺的尋北儀在精度和適應(yīng)環(huán)境能力方面往往不及傳統(tǒng)的機(jī)械光學(xué)式陀螺尋北儀。
在機(jī)械光學(xué)式陀螺尋北儀中使用最多、精度較高的尋北儀是擺式陀螺尋北儀，但擺式陀螺尋北儀的尋北時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，且容易受外部干擾影響，在測(cè)量的快速性與精度上存在著一定的矛盾，嚴(yán)重制約著其大量應(yīng)用。目前，擺式陀螺尋北儀的尋北測(cè)量時(shí)間均在15min以上，且測(cè)量精度很難控制在10″以內(nèi)。工程實(shí)際中，其測(cè)量精度還會(huì)因測(cè)量環(huán)境的變化而有所降低，有時(shí)甚至?xí)兓?′以上。綜上所述，對(duì)于當(dāng)前的擺式陀螺尋北儀僅僅采用一種尋北方法是難于同時(shí)滿足這兩項(xiàng)性能指標(biāo)要求的。
為了進(jìn)一步縮短擺式陀螺尋北儀的尋北測(cè)量時(shí)間，提高其尋北測(cè)量精度，人們?cè)趯け彪A段采用了積分測(cè)量方法，但傳統(tǒng)的積分測(cè)量方法對(duì)定時(shí)周期要求相對(duì)準(zhǔn)確。實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量地點(diǎn)緯度相對(duì)儀器常數(shù)標(biāo)定地點(diǎn)的緯度變化、測(cè)量環(huán)境溫度的變化、重力場(chǎng)的變化等都會(huì)造成測(cè)量周期的變化。因而，實(shí)際中無論采用哪種周期測(cè)量法都很難得到準(zhǔn)確的周期值。測(cè)量周期的變化直接地影響了積分值的準(zhǔn)確性，給測(cè)量結(jié)果帶入了較大的誤差，限制了其在擺式陀螺尋北儀中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量速度快，測(cè)量精度高的擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法，它包括以下步驟
(1)將擺式陀螺尋北儀在觀測(cè)點(diǎn)上架設(shè)整平后，用二次光電積分法測(cè)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值S0；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟陀螺運(yùn)動(dòng)后任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(2)在陀螺馬達(dá)啟動(dòng)穩(wěn)定后，釋放陀螺敏感元件，并通過零位跟蹤方式，獲得第一個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，并停止跟蹤；在停止跟蹤T/2后，將懸?guī)Я阄慌c陀螺主軸對(duì)準(zhǔn)，即用步進(jìn)概略定向法將跟蹤零位收斂到真北附近；(3)通過雙次光電積分法記錄擺動(dòng)積分值S；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟的任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(4)測(cè)定預(yù)定的目標(biāo)，讀取度盤讀數(shù)αθ；(5)計(jì)算得出真北角度，計(jì)算公式為
式中αθ目標(biāo)與跟蹤零位的夾角；S陀螺擺的擺動(dòng)積分值；T1在裝配點(diǎn)處1處的陀螺擺擺動(dòng)周期；x1裝配點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；1儀器裝配點(diǎn)處的緯度值；x測(cè)量點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；測(cè)量地點(diǎn)的緯度值；T0馬達(dá)靜止時(shí)的受扭擺動(dòng)周期；S0陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值；k光電、模數(shù)轉(zhuǎn)換的刻度系數(shù)，由所選器件決定；ΔαKθ尋北角度偏差修正常數(shù)，為安裝時(shí)確定的偏差值。
本發(fā)明中，步驟(2)中的步進(jìn)概略定向法可快速地、粗略地將陀螺擺收斂到真北附近，縮短了測(cè)量時(shí)間；而步驟(1)和步驟(3)的雙次光電積分法可較好地消除陀螺擺擺動(dòng)頻率偶數(shù)倍的低頻干擾，有效地減小了擺動(dòng)周期變化造成的積分測(cè)量誤差。用步進(jìn)概略定向法測(cè)量精度達(dá)到角分級(jí)，而經(jīng)過二次光電積分方法，測(cè)量精度可達(dá)到角秒級(jí)。因此本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，測(cè)量精度高。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法包括以下步驟(1)將擺式陀螺尋北儀在觀測(cè)點(diǎn)上架設(shè)整平后，用二次光電積分法測(cè)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值S0；二次光電積分法，是指將光電元件采集數(shù)據(jù)，將陀螺擺信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過二次積分公式進(jìn)行積分的方法。
用二次光電積分法測(cè)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值S0；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；
ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟陀螺運(yùn)動(dòng)后任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(2)在陀螺馬達(dá)啟動(dòng)穩(wěn)定后，釋放陀螺敏感元件，并通過零位跟蹤方式，獲得第一個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，并停止跟蹤；在停止跟蹤T/2后，將懸?guī)Я阄慌c陀螺主軸對(duì)準(zhǔn)，即用步進(jìn)概略定向法將跟蹤零位收斂到真北附近；步進(jìn)法概略定向法是利用外力作用減小系統(tǒng)原有機(jī)械能，如果某一時(shí)刻，懸?guī)ちα阄慌c陀螺擺擺動(dòng)的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)重合，這時(shí)，懸?guī)Р皇芘ぃ瑥椥晕荒転榱?，但此時(shí)扭力零位偏北，陀螺擺受指北力矩作用，而具有指向位能，當(dāng)陀螺擺繼續(xù)運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期后，到達(dá)另一逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，由于扭力零位還在前一個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位置，懸?guī)芘?，彈性位能最大，此時(shí)將懸?guī)Я阄晦D(zhuǎn)至這一逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，則彈性位能變?yōu)榱?，這時(shí)新位置的指北位能的絕對(duì)值小于前一位置，即扭力零位向真北逼近了，當(dāng)重復(fù)這一過程數(shù)次后，陀螺擺的擺幅減小，扭力零位逼近真北。步進(jìn)法概略定向法是通過外界提供能量，將懸?guī)Я阄晦D(zhuǎn)至逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速粗略逼近真北的方法，大大減少了測(cè)量時(shí)間。
(3)通過雙次光電積分法記錄擺動(dòng)積分值S；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟的任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(4)測(cè)定預(yù)定的目標(biāo)，通過經(jīng)緯儀測(cè)定目標(biāo)的方位，讀取陀螺尋北儀度盤讀數(shù)αθ；(5)通過計(jì)算得出真北角度，真北的計(jì)算公式為
計(jì)算得出真北角度，計(jì)算公式為 式中αθ目標(biāo)與跟蹤零位的夾角；S陀螺擺的擺動(dòng)積分值；T1在裝配點(diǎn)處1處的陀螺擺擺動(dòng)周期；x1裝配點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；1儀器裝配點(diǎn)處的緯度值；x測(cè)量點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；測(cè)量地點(diǎn)的緯度值；T0馬達(dá)靜止時(shí)的受扭擺動(dòng)周期；S0陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值；k光電、模數(shù)轉(zhuǎn)換的刻度系數(shù)，由所選器件決定。
ΔαKθ尋北角度偏差修正常數(shù)，為安裝時(shí)確定的偏差值。
本發(fā)明適用于真北角度的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法，其特征在于它包括以下步驟(1)將擺式陀螺尋北儀在觀測(cè)點(diǎn)上架設(shè)整平后，用二次光電積分法測(cè)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值S0；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟陀螺運(yùn)動(dòng)后任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(2)在陀螺馬達(dá)啟動(dòng)穩(wěn)定后，釋放陀螺敏感元件，并通過零位跟蹤方式，獲得第一個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，并停止跟蹤；在停止跟蹤T/2后，將懸?guī)Я阄慌c陀螺主軸對(duì)準(zhǔn)，即用步進(jìn)概略定向法將跟蹤零位收斂到真北附近；(3)通過雙次光電積分法記錄擺動(dòng)積分值S；積分時(shí)間段為t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光電積分公式為2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm為理論上的陀螺擺動(dòng)周期；Tm+ΔT為實(shí)際測(cè)量的陀螺擺動(dòng)周期；ΔT為計(jì)時(shí)誤差；t0此步驟的任意測(cè)量時(shí)刻；αk懸?guī)ちα阄慌c陀螺平衡位置之間的夾角；A此步驟的擺動(dòng)振幅；(4)測(cè)定預(yù)定的目標(biāo)，讀取度盤讀數(shù)αθ；(5)計(jì)算得出真北角度，計(jì)算公式為 式中αθ目標(biāo)與跟蹤零位的夾角；S陀螺擺的擺動(dòng)積分值；T1在裝配點(diǎn)處1處的陀螺擺擺動(dòng)周期；x1裝配點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；1儀器裝配點(diǎn)處的緯度值；x測(cè)量點(diǎn)處的懸?guī)ち叵禂?shù)與陀螺指北力矩系數(shù)的比值；測(cè)量地點(diǎn)的緯度值；T0馬達(dá)靜止時(shí)的受扭擺動(dòng)周期；S0陀螺馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值；k光電、模數(shù)轉(zhuǎn)換的刻度系數(shù)，由所選器件決定；ΔαKθ尋北角度偏差修正常數(shù)，為安裝時(shí)確定的偏差值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法，其特征在于所述的步驟(2)的步進(jìn)概略定向法是利用外力作用減小系統(tǒng)原有機(jī)械能，如果某一時(shí)刻，懸?guī)ちα阄慌c陀螺擺擺動(dòng)的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)重合，這時(shí)，懸?guī)Р皇芘ぃ瑥椥晕荒転榱?，但此時(shí)扭力零位偏北，陀螺擺受指北力矩作用，而具有指向位能，當(dāng)陀螺擺繼續(xù)運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期后，到達(dá)另一逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，由于扭力零位還在前一個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)位置，懸?guī)芘ぃ瑥椥晕荒茏畲?，此時(shí)將懸?guī)Я阄晦D(zhuǎn)至這一逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，則彈性位能變?yōu)榱?，這時(shí)新位置的指北位能的絕對(duì)值小于前一位置，即扭力零位向真北逼近了，當(dāng)重復(fù)這一過程數(shù)次后，陀螺擺的擺幅減小，扭力零位逼近真北。
全文摘要
本發(fā)明屬于尋北儀測(cè)量方法，具體涉及一種擺式陀螺尋北儀測(cè)量方法。它包括以下步驟尋北儀在觀測(cè)點(diǎn)上架設(shè)整平后，用二次光電積分法測(cè)馬達(dá)啟動(dòng)前的扭力零位與跟蹤零位之間的偏差角度積分值S
文檔編號(hào)G01C17/00GK101082491SQ20071012267
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者王縝, 余祖蔭 申請(qǐng)人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所