尋北儀原理及典型指標(biāo)參數(shù)

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1、北京七維航測科技股份有限公司BeijingSDiScience&TechnologyCo.,Ltd.尋北儀原理簡介和分類尋北儀是羅盤的一種，是用來尋找某一位置的真北方向值。陀螺尋北儀又稱陀螺羅盤，是利用陀螺原理測定地球自轉(zhuǎn)角速率在當(dāng)?shù)厮矫嫱队胺较颍凑姹狈轿唬┑囊环N慣性測量系統(tǒng)。它的尋北過程無需外部參考。除受高緯度限制之外，它的尋北測量不受天氣、晝夜時間、地磁場和場地通視條件的影響。陀螺尋北儀是一種精密慣性測量儀器，通常用于為火炮、地對地導(dǎo)彈和地面雷達(dá)等機(jī)動武器系統(tǒng)提供方位參考。根據(jù)所用陀螺類型，陀螺尋北儀可分為以下三種：?以二自由度

2、陀螺作為地球自轉(zhuǎn)敏感器的尋北儀（如懸掛擺式陀螺尋北儀）?以單軸速率陀螺作為敏感器的尋北儀（如捷聯(lián)式陀螺尋北儀，高精度，例SDI-151）?平臺尋北系統(tǒng)陀螺尋北儀對環(huán)境的振動干擾（特別是對低頻振動干擾）極為敏感。根據(jù)使用環(huán)境，陀螺尋北儀可分為地面架設(shè)的高精度尋北儀、車載陀螺尋北儀和船用動基座陀螺尋北儀三種。工作原理陀螺尋北儀原理陀螺儀是一種機(jī)械轉(zhuǎn)動部件的慣性測量元件，具有耐沖擊、靈敏度高、壽命長、功耗低、集成可靠等優(yōu)點(diǎn)，是新一代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中理想的慣性器件。在基于陀螺的尋北應(yīng)用中，采用的大多數(shù)方法是FOG轉(zhuǎn)動固定角度，通過確定偏移量

3、計算相對北方向的夾角。為了精確指北，還必須消除FOG的漂移。一般使用一個旋轉(zhuǎn)平臺如圖1所示，將陀螺置于動基座上，動基座平面平行于水平面，陀螺的敏感軸平行于動基座平面。開始尋北時，陀螺處于位置1，陀螺敏感軸與載體平行。假設(shè)陀螺敏感軸的初始方向與真北方向的夾角為。陀螺在位置1的輸出值為；然后轉(zhuǎn)動基座90°,在2位置測北京七維航測科技股份有限公司地址：海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)永捷南路2號院2號樓北京七維航測科技股份有限公司BeijingSDiScience&TechnologyCo.,Ltd.得陀螺的輸出值為。依次再轉(zhuǎn)動兩次90°，分別轉(zhuǎn)到3和4的位置

4、，得到角速度和。圖1.陀螺尋北示意圖圖2.地球自轉(zhuǎn)在陀螺敏感軸上的投影假設(shè)測量點(diǎn)的緯度為，地球自轉(zhuǎn)為，則1位置測得的角速度為：其中，為陀螺輸出的零點(diǎn)漂移。同理可得：北京七維航測科技股份有限公司地址：海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)永捷南路2號院2號樓北京七維航測科技股份有限公司BeijingSDiScience&TechnologyCo.,Ltd.在短時間內(nèi)，假設(shè)陀螺的漂移為一常量，即：,則用此方法測量，可以消除陀螺的零偏，也不需要知道測量地點(diǎn)的緯度值。如果測量地點(diǎn)的緯度為已知值，那么可以只需測量1和3(或者2和4)兩個位置便可以求出航向角?；膬A斜對

5、尋北精度的影響上面的分析是基于動基座平面水平，即陀螺的敏感軸處于水平面內(nèi)而得出的結(jié)論。如果安裝陀螺的基座平面與水平面存在較大傾角，則尋北精度會受到較大的影響。下面分析當(dāng)基座平面不水平時，傾角對方位角測量產(chǎn)生的影響。設(shè)載體的姿態(tài)角為,，，分別表示航向角、傾斜角和俯仰角。建立如下坐標(biāo)系：1)地理坐標(biāo)系OXnYnZn，其方向分別為東、北、天,如圖3中左圖所示。2)OX1Y1Z1坐標(biāo)系,是坐標(biāo)系OXnYnZn繞Zn軸旋逆時針轉(zhuǎn)角得到。3)OX2Y2Z2坐標(biāo)系，是坐標(biāo)系OX1Y1Z1繞X1軸旋逆時針轉(zhuǎn)角得到。4)載體坐標(biāo)系OXbYbZb，是坐標(biāo)系

6、OX2Y2Z2繞Y2軸旋逆時針轉(zhuǎn)角得到。OXb,OYb,OZb分別為載體首尾線水平面及水平面法線方向，其中載體縱軸與OXb軸重合，陀螺坐標(biāo)系與之重合，即陀螺敏感軸與OXb軸重合，如圖3中右圖所示。北京七維航測科技股份有限公司地址：海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)永捷南路2號院2號樓北京七維航測科技股份有限公司BeijingSDiScience&TechnologyCo.,Ltd.圖3.地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系可以得出地理坐標(biāo)系OXnYnZn到陀螺坐標(biāo)系OXbYbZb的轉(zhuǎn)換矩陣為：在地理坐標(biāo)系OXnYnZn中地球自轉(zhuǎn)角速率的分量為(0,,),經(jīng)過OXnYnZ

7、n到OXbYbZb的變換后，在陀螺坐標(biāo)系OXbYbZb中地球自轉(zhuǎn)角速率的分量為：而即為陀螺的敏感軸方向，可以得到陀螺的輸出為：當(dāng)和為零，即轉(zhuǎn)臺完全水平時，公式(9)與公式(1)一致。依次旋轉(zhuǎn)90°角度后，可以測得陀螺在1、2、3和4位置的輸出為：北京七維航測科技股份有限公司地址：海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)永捷南路2號院2號樓北京七維航測科技股份有限公司BeijingSDiScience&TechnologyCo.,Ltd.在測量時間內(nèi)假設(shè)，可以求得：其中在實際測量中，可以通過一個加速度傳感器來測得平臺的傾斜角和。加速度計的敏感軸與OYb平行。在地理

8、坐標(biāo)系OXnYnZn中地球重力加速度為(0,0,-g)，則在載體坐標(biāo)系OXbYbZb中各軸的重力分量為：因此加速度計在四個位置的輸出為：北京七維航測科技股份有限公司地址：海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)永捷南路2號院2號樓北