四位陀螺羅盤譯文

1、摘譯說明：這里介紹一種高精度陀螺尋北儀。它的尋北精度不僅是當(dāng)今世界上精度最高的（1"）而且具有絕對尋北功能，即其儀器常數(shù)為0。多位速率測量的陀螺羅盤 NAECON-1968(院圖書館73。8083N77) 作者TRW公司系統(tǒng)組摘要 由于新的高精度陀螺的出現(xiàn)，增加了利用陀螺測量地球自傳角速率實(shí)現(xiàn)測定天文北的可能性。新的速率陀螺已經(jīng)可以滿足高精度方位測量的要求。雖然陀螺羅盤的性能取決于陀螺的性能，但是按照某種順序多次改變陀螺測量軸的取向可以消除或者平均掉陀螺的多項漂移以使陀螺誤差的影響減小。下面說明陀螺羅盤的精度與測量過程中陀螺的各種姿態(tài)之間的關(guān)系，給出幾種常用的測量方式和誤差模型。重點(diǎn)

2、說明了其中一種形式以及試驗結(jié)果。引言 方位基準(zhǔn)通常有如下三種 1磁羅盤 一種磁傳感器，例如磁通閥； 2方向陀螺 最初對準(zhǔn)某個方位然后“記住”這個方位； 3陀螺羅盤 通過測量地球自傳角速率測定北向。陀螺羅盤又分兩種，擺式陀螺羅盤，依靠陀螺轉(zhuǎn)子軸的進(jìn)動尋北和速率測量陀螺羅盤，測量地速分量，計算測量軸的偏北角。速率測量陀螺羅盤是本文的主題。 這里介紹的陀螺羅盤與其他的方位基準(zhǔn)完全不同，應(yīng)該承認(rèn)其復(fù)雜性，因此只適合哪些要求尋北精度數(shù)量級高于其他方位基準(zhǔn)的應(yīng)用場合。實(shí)際上這是指哪些至今尚未應(yīng)用過陀螺基準(zhǔn)的場合。例如考慮將其應(yīng)用于大地測量。這種陀螺羅盤具有測量獨(dú)立基線的能力，解決因標(biāo)石不穩(wěn)定性帶來的問題，

3、尤其是原始測量已過多年或者土地穩(wěn)定性有問題的地方。大地測量中要求的精度通常高于5"，這對陀螺的性能提出了苛刻的要求。要消除陀螺誤差中與g有關(guān)的漂移和磁場干擾，在尋北測量時至少需要使陀螺敏感軸在四個方向上變換取向。為了獲得最好的精度，需要在使用之前進(jìn)行校準(zhǔn)，以盡可能減少隨時間變化的漂移分量。此問題的另一個解決方法是把漂移的檢測與方位取向結(jié)合起來，即在連續(xù)取向過程中完成地速測量，以便檢測或者平均掉這種特殊的誤差項。四位陀螺羅盤測量過程選擇的特定機(jī)械編排正是出于上述目的。四位陀螺羅盤的一個應(yīng)用范例是為慣性儀表實(shí)驗室或者彈道導(dǎo)彈地下井測定基準(zhǔn)方位。這種基準(zhǔn)已經(jīng)建立了幾個，比其他方法經(jīng)濟(jì)得多，

4、尤其是在難以得到天體基準(zhǔn)的場合更是如此。在要求較低精度的場合，需要權(quán)衡的是，選擇一種低精度陀螺還是選擇一種只消除了部分誤差的更為簡單的機(jī)械編排（例如只采用二位尋北測量而不是四位）。無論選擇何種機(jī)械編排，陀螺總是成本較大的一項，所以在不同的機(jī)械編排使用同一種陀螺就經(jīng)濟(jì)得多。具體地說，四位陀螺羅盤具有大地測量的精度，而用于火炮瞄準(zhǔn)，二位尋北測量就足夠了。這里所說的瞄準(zhǔn)是指確定火炮（或者導(dǎo)彈發(fā)射架）的發(fā)射方向而不是指校正炮管的膛線。尋北精度取決于武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求，但是通常要比大地測量精度低一個數(shù)量級。實(shí)際上，炮膛瞄準(zhǔn)或者一些測量設(shè)備軸線與相應(yīng)的火力武器軸線之間的對準(zhǔn)問題有時也可以利用陀螺羅

5、盤解決，例如聲納軸線與魚雷發(fā)射管的軸線之間（不能通視）的相對角度是通過測定各自與北向的夾角進(jìn)行調(diào)整。對于大多數(shù)車載系統(tǒng)，尋北精度通常比大地測量低兩個數(shù)量級。系統(tǒng)的機(jī)械編排 表1陀螺常值漂移沿陀螺輸出軸和轉(zhuǎn)子軸的質(zhì)量不平衡靈敏度（與g有關(guān)的漂移系數(shù)）沿陀螺輸出軸和轉(zhuǎn)子軸的重力加速度沿陀螺輸入軸，輸出軸和轉(zhuǎn)子軸的磁靈敏度沿陀螺輸入軸，輸出軸和轉(zhuǎn)子軸的磁干擾 下面推導(dǎo)TRW四位陀螺羅盤采用的機(jī)械編排的誤差模型，并且給出剩余誤差項。雖然從原理上講，與其他機(jī)械編排沒有什么區(qū)別，但是具體結(jié)構(gòu)差別很大。 分析指出，二位尋北測量不可能消除（分離）所有誤差項，。雙軸轉(zhuǎn)臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差將在四位尋北機(jī)械編排中分析。

6、表1中的各種誤差并非在各編排中都出現(xiàn)。二位尋北 這里討論四種二位尋北編排方式，表2列出了每種二位尋北編排方式的狀態(tài)。譯注：四種方式中的第一位的輸入軸總是在東向，而第二位轉(zhuǎn)到西向！不能繞輸入軸轉(zhuǎn)動！編排方式位 置 1 位 置 2輸出軸OA轉(zhuǎn)子軸SA輸入軸IA輸出軸OA轉(zhuǎn)子軸SA輸入軸IA1 （繞轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)）下北東上北西2 （繞輸出軸轉(zhuǎn)動）北上東北下西3 （繞輸出軸轉(zhuǎn)動）下北東下南西（翻轉(zhuǎn)）4 （繞轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)）北上東南（翻轉(zhuǎn)）上西框架誤差和轉(zhuǎn)動的對準(zhǔn)誤差，對于尋北誤差的影響是按表1中的形式1推導(dǎo)的。至于其他形式的尋北誤差被歸納在表4中。對于形式1，沿陀螺輸入軸的速率，理論值為，其中為地球自傳角速率，為

7、緯度，為陀螺羅盤翻轉(zhuǎn)軸的偏北角，也即待測角。在忽略誤差的條件下有：在考慮到陀螺羅盤各軸與理論上的東、下、北（見表2）坐標(biāo)不重合，其不重合角分別為并且為小角度（其中，此值為小角度，表明這里采用線性區(qū)尋北測量方法-譯注），則沿陀螺羅盤各軸的速率可以用矩陣計算， （1） 陀螺羅盤從位置1（輸出軸向上）繞水平翻轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到位置2（輸出軸向下）可能不完全等于180°，其誤差角為 ，則沿陀螺羅盤各軸的速率可以用矩陣計算 （2）在位置1，。再考慮陀螺各軸與轉(zhuǎn)臺各軸之間存在安裝角誤差為，和三個小角度。（這里的是陀螺自轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臺水平翻轉(zhuǎn)軸之間的安裝誤差角也即通常的儀器常數(shù)譯注）換算矩陣為 陀螺輸入軸將敏感

8、到的速率為 （4）在位置1，上式等于 （5）在此第一個位置上，沿陀螺輸入軸的速率為 （6）考慮到陀螺的常值漂移，磁靈敏度，和質(zhì)量不平衡漂移項之后為在第二個位置上為則可得兩位尋北結(jié)果 其他形式的二位尋北誤差的推導(dǎo)是相同的，見表4。四位尋北測量 雖然從原理上說，四位測量過程中轉(zhuǎn)臺兩個軸的轉(zhuǎn)動順序可能有多種組合，但是TRW公司所研制的四位陀螺羅盤使用的測量順序為: 位置 輸出軸 自轉(zhuǎn)軸 輸入軸 1 下 北 東 2 上 北 西 3 下 南 西 4 上 南 東 上述各次轉(zhuǎn)動都是正的，而且從前一個位置變?yōu)橄乱粋€位置時總是需要完成兩次轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的次序總是先輸出軸然后轉(zhuǎn)子軸。 在上述四個位置上的陀螺輸入軸的速

9、率分別為 可得 尋北誤差為 形式尋 北 誤 差TRW四位 二位 1 儀器常數(shù)被消除二位2 儀器常數(shù)被消除二位3 存在儀器常數(shù)二位4 存在儀器常數(shù)誤差總結(jié) 對于某些特定的應(yīng)用場合，可根據(jù)上述誤差特點(diǎn)進(jìn)行比較以便確定合理的設(shè)計方案。可以評估所選陀螺的漂移和環(huán)境靈敏度帶來的尋北誤差以及多次取向?qū)τ谙到y(tǒng)誤差的效果。由于有些剩余誤差可以采用其他方法（例如磁屏避）進(jìn)一步減小，所以選擇機(jī)械編排形式取決于，。所述誤差源只是一般性的，在具體實(shí)施過程中還可能出現(xiàn)其他誤差，例如陀螺漂移對于熱梯度的靈敏度。誤差源大部分都可以用上述方法來處理，但是陀螺的短期漂移和因多次取向轉(zhuǎn)動引起的陀螺漂移瞬變現(xiàn)象除外。 TRW四

10、位陀螺羅盤 TRW公司為國家宇航局電子研究中心研制的用于慣性儀表實(shí)驗室方位基準(zhǔn)測量的四位速率敏感陀螺羅盤就是一個實(shí)例。這種陀螺羅盤的尋北精度達(dá)到了大地測量的精度。類似的儀器正在制造，主要用于彈道導(dǎo)彈地下井的基準(zhǔn)方位測量。 此項研究開始于1960年，一開始就決定集中力量研究一種利用速率陀螺和一種機(jī)械濾波程序以便獲得最佳性能。后來的工作證明了這一技術(shù)途徑的正確性。 圖1 TRW四位陀螺羅盤工作原理 TRW四位陀螺羅盤依靠高精度速率傳感器敏感地球自傳角速度失量的水平分量來測定真北方位即天文北。 速率傳感器是一個機(jī)密速率積分陀螺，以速率陀螺狀態(tài)工作。尋北測量時其敏感軸與地速水平分量垂直。陀螺的轉(zhuǎn)子軸與

11、陀螺羅盤的水平翻轉(zhuǎn)軸平行。陀螺輸入軸（IA）按順序由向東和向西，陀螺轉(zhuǎn)子軸（SA）向北和西南的狀態(tài)組合為四個測量位置。然后求出這四個位置的速率測量值的差和平均值，以達(dá)到無偏地測量敏感軸的天文方位，即消除了陀螺的偏置和緩慢變化的陀螺漂移的影響。圖2為四位陀螺羅盤的工作時序。陀螺啟動穩(wěn)定期陀螺采樣陀螺翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定期陀螺采樣陀螺翻轉(zhuǎn)方位轉(zhuǎn)動穩(wěn)定期陀螺采樣陀螺翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定期陀螺采樣IA 東 西 西 東SA 北 北 南 南OA 下 上 下 上功能說明速率測量，轉(zhuǎn)臺控制，速率陀螺安裝在雙軸轉(zhuǎn)臺上使陀螺能按上述四個位置取向。轉(zhuǎn)臺的控制采用E型鐵位置傳感器(敏感方位軸和水平滾動軸的零位)，前放和放大器(放大E型鐵位置

12、傳感器的輸出信號)以及力矩電機(jī)(驅(qū)動雙軸轉(zhuǎn)臺)。此外還有動態(tài)穩(wěn)定用的阻尼器。定時和時序控制器，陀螺的工作必須按給定的時間內(nèi)完成。定時器產(chǎn)生時基信號產(chǎn)生陀螺馬達(dá)三相電源和陀螺激勵信號源的時基，以及各種動作時序信號。實(shí)物說明雙軸轉(zhuǎn)臺 由支座，方位轉(zhuǎn)軸（Z）和水平翻轉(zhuǎn)軸（X）組成雙軸轉(zhuǎn)臺，一個速率積分陀螺安裝在水平翻轉(zhuǎn)軸上。兩個軸上的滑環(huán)保證了陀螺與顯控器連接。方位輸出鏡 安裝在水平翻轉(zhuǎn)軸（X）兩端的平面鏡，其法線平行于水平翻轉(zhuǎn)軸。對兩個端面的平面鏡的穩(wěn)定性沒有嚴(yán)格的要求。即不要求方位軸精確轉(zhuǎn)動180°。？自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀 通用自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀(Wild T-3A)用于準(zhǔn)直方位輸出鏡，是四位陀螺羅

13、盤的讀出裝置。滑環(huán) 顯控器粗尋北 尋北測量之前需要進(jìn)行粗尋北，其方法是通過轉(zhuǎn)動陀螺羅盤的方位軸使陀螺輸出速率歸零的方法完成。多次測量結(jié)果的平均值作為最終的測量值。最終測量值是尋北次數(shù)的函數(shù)。交付給國家宇航局電子研究中心的陀螺羅盤要求取12個獨(dú)立尋北測量結(jié)果的平均值為最終測量值。 通常情況下，一個測回為12min。陀螺羅盤的輸出是隨即的，并且呈現(xiàn)離散特性。 圖4是一個典型測量結(jié)果，1.06". 圖5是103個測回的分布狀態(tài)。十分近似于正態(tài)分布。附說明（個人意見）： 這個測量順序的特點(diǎn)是，每兩個相鄰測量位置上，陀螺的輸出軸都要完成一次翻轉(zhuǎn)。之所以這樣作可能是因為以此可消除由于陀螺浮子非中性懸浮和陀螺溫度梯度變化所帶來的測量誤差。其次是，輸入軸的順序采取東-西-西-東的目的是為了消除等速漂移(見下面的分析)。 關(guān)于多位測量消除常值和等速漂移的說明:在考慮陀螺存在常值漂移和等速漂移時上式四個速率測量值可改寫為 w(1)=w1+w0+KT1/2 w(2)=w2+w0+KT(3/2) (11) w(3)=w3+w0+KT(5/2) w(4)=w4+w0+KT(7/2) 式中w0為等效常值漂移，K為等速漂移速率，T