CN103292801A - 光纤陀螺经纬仪及其寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺经纬仪及其寻北方法，光纤陀螺经纬仪包括光纤陀螺和经纬仪，本发明中的经纬仪涵盖全站仪。光纤陀螺安装在经纬仪的水平旋转部，该光纤陀螺闭合光路法向与经纬仪水平旋转轴垂直，经纬仪底座固定部分外侧安装一个经纬仪底座齿轮，该经纬仪底座齿轮通过齿轮组连接一个安装在经纬仪水平旋转部上的驱动马达。光纤陀螺经纬仪寻北方法包括动态寻北和静态寻北。本发明是一种结构紧凑、体积小、重量轻、适合单人携带在地形复杂地区使用的光纤陀螺经纬仪。本仪器及其寻北方法具有操作简单、快捷、一键寻北、便于使用等优点。此外，本光纤陀螺经纬仪适用范围广泛，军民两用，可用于确立北向基准、矿山和大地测量、军事测量等。

Description

光纤陀螺经纬仪及其寻北方法

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，尤其是一种光纤陀螺经纬仪及其寻北方法。

背景技术

光纤陀螺的萨格奈克（G·Sagnac）效应为沿闭合光路相向传播的两光波之间的相位差正比于闭合光路法向的输入角速度。光纤陀螺闭合光路法向即为光纤陀螺敏感轴，当光纤陀螺闭合光路法向水平时，光纤陀螺可用来敏感地球自转角速度的水平分量。利用光纤陀螺闭合光路法向水平时的不同指向的输出，采集后经解算，可得出光纤陀螺闭合光路法向水平初始指向与子午线的夹角，即可利用光纤陀螺寻北。

光纤陀螺寻北方式有两种即静态寻北方式和动态寻北方式。在光纤陀螺寻北仪静态方式寻北过程中，光纤陀螺闭合光路法向在不同位置都要保持水平，否则地球自转角速度的垂直分量产生干扰，同时对水平旋转的位置精度要求严格。在光纤陀螺寻北仪动态方式寻北过程中同样要求光纤陀螺闭合光路法向在水平旋转过程中要严格保持水平，旋转要保持稳定，且精确测量水平旋转角速度。

综上所述，光纤陀螺闭合光路法向的水平保持、光纤陀螺仪水平旋转的位置精度、光纤陀螺水平旋转的稳定及水平旋转角速度测量都会对光纤陀螺寻北仪寻北的准确性产生影响，必须对其进行处理。而现有的光纤陀螺寻北仪主要由光纤陀螺、水平转台以及伺服机构构成，为了在静态寻北时控制光纤陀螺的水平旋转位置精度或者在动态寻北时控制光纤陀螺水平旋转的稳定及水平旋转角速度，需要单独设计水平旋转平台及相应的伺服机构，不但比较繁琐复杂，而且还不能完全满足寻北高精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理、使用简单、测量速度快、精度高的光纤陀螺经纬仪及其寻北方法。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种光纤陀螺经纬仪，包括光纤陀螺和经纬仪，其特征在于：光纤陀螺安装在经纬仪的水平旋转部，该光纤陀螺闭合光路法向与经纬仪水平旋转轴垂直，经纬仪底座固定部分外侧安装一个经纬仪底座齿轮，该经纬仪底座齿轮通过齿轮组连接一个安装在经纬仪水平旋转部上的驱动马达。

而且，所述的经纬仪水平旋转部安装测量控制模块，该测量控制模块与驱动马达电连接。

而且，所述的齿轮组包括主动摩擦轮、从动摩擦轮以及驱动齿轮，驱动马达的电机轴同轴连接主动摩擦轮，该主动摩擦轮联动从动摩擦轮，该从动摩擦轮同轴连接驱动齿轮，该驱动齿轮啮合连接经纬仪底座齿轮。

而且，所述的经纬仪上安装一个或多个外罩，光纤陀螺、驱动马达、齿轮组、经纬仪底座齿轮以及测量控制模块均位于外罩内部。

而且，所述的经纬仪涵盖全站仪。

一种光纤陀螺经纬仪的寻北方法，其特征在于：包括静态寻北方法和动态寻北方法。

而且，所述的光纤陀螺经纬仪静态寻北方式为：首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，第一点采集完毕后，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出，与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，到达指定位置后测量控制模块关闭驱动马达，开始第二点采集，第二点采集完毕重复上述过程，直至解算要求的所有位置采集完毕，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

而且，所述的光纤陀螺经纬仪动态寻北方式为：首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，采集完毕后开始动态寻北，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平匀速转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出及光纤陀螺的输出；经纬仪水平旋转部的水平角度输出与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，同时控制光纤陀螺及经纬仪水平旋转部的水平旋转速度和旋转角度，光纤陀螺旋转360度后测量控制模块关闭驱动马达，依据光纤陀螺旋转360度的全部输出，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束；

在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，根据不同的精度要求，可采用转动多周的方法，即水平转动的角度为N×360度（N=1，2，3，···），在水平旋转过程中，测量光纤陀螺的输出，旋转结束后解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

而且，在光纤陀螺经纬仪静态寻北方式下，光纤陀螺旋转位置变化引起的误差的补偿方法：标定在不同位置变化下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

而且，在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，光纤陀螺旋转角速度变化引起的误差的补偿方法：标定在不同水平旋转角速度下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

本发明的优点和积极效果是：

1、本光纤陀螺经纬仪包括光纤陀螺和经纬仪，光纤陀螺闭合光路法向与经纬仪水平旋转轴垂直。本仪器省略了传统的水平转台，将经纬仪用作精密转角平台及水平旋转机构，通过测量控制模块与驱动单元实现了光纤陀螺寻北，并利用经纬仪输出寻北结果及建立北向基准。

2、本光纤陀螺经纬仪是一种自主指示目标方位高精度惯性仪器，其不受纬度、气象、电磁等环境等条件的影响，能快速测量、解算待测目标的真北方位角，北向输出精度高、方便快捷。

3、本光纤陀螺经纬仪提出了光纤陀螺旋转角速度变化引起的误差的补偿方法。通过角速度补偿技术予以补偿，确保了定向精度。本陀螺经纬仪提出了一种位置误差补偿办法，通过该方法可获得高精度的测量数据，进而确立高精度的北向基准。

4、本光纤陀螺经纬仪大量采用全固态器件，因此仪器坚固、抗震、耐冲击、可靠性高。本光纤陀螺经纬仪启动快、预热时间短、灵敏度高、使用寿命长。本光纤陀螺经纬仪接口丰富，控制系统可移植性强，便于扩展。

5、本光纤陀螺经纬仪采用温度补偿技术，即标定不同的温度环境中的光纤陀螺漂移和仪器机械结构变化量，在仪器使用中根据不同的环境温度进行补偿，因此本仪器适用于恶劣环境。

6、本光纤陀螺经纬仪组合技术方案灵活，不同精度等级的光纤陀螺（或微机械陀螺）和经纬仪（或全站仪）可组合成为系列产品，能满足各种用户需求且系统成本低。

7、本光纤陀螺经纬仪适用范围广泛，军民两用，可用于确立北向基准、矿山和大地测量、军事测量等。

8、本发明是一种结构紧凑、体积小、重量轻、适合单人携带在地形复杂地区使用的光纤陀螺经纬仪。本仪器及其寻北方法具有操作简单、快捷、一键寻北、便于使用等优点。经纬仪的轴系在360度范围水平保持精度高，角度测量精度高，通过将光纤陀螺与经纬仪结合使用，解决了光纤陀螺寻北过程中的问题。目前在国内、外产品未见有类似设计方案与产品实现。

附图说明

图1是本发明的主视图（省略外罩）；

图2是图1的立体示意图；

图3是本发明的立体示意图；

图4是光纤陀螺经纬仪四位置静态闭环控制工作原理框图；

图5是光纤陀螺经纬仪动态闭环控制工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种光纤陀螺经纬仪，包括光纤陀螺1和经纬仪10，光纤陀螺安装在经纬仪的水平旋转部2，该光纤陀螺闭合光路法向与经纬仪水平旋转轴垂直。经纬仪底座7固定部分外侧安装一个经纬仪底座齿轮8，该经纬仪底座齿轮通过齿轮组连接一个驱动马达3。齿轮组包括主动摩擦轮5、从动摩擦轮6以及驱动齿轮4，驱动马达的电机轴同轴连接主动摩擦轮，该主动摩擦轮联动从动摩擦轮，该从动摩擦轮同轴连接驱动齿轮，该驱动齿轮啮合连接经纬仪底座齿轮。

驱动马达安装在经纬仪水平旋转部上，经纬仪水平旋转部还安装测量控制模块9，该测量控制模块与驱动马达电连接。经纬仪上安装一个或多个外罩11，光纤陀螺、驱动马达、齿轮组、经纬仪底座齿轮以及测量控制模块均位于外罩内部。本实施例中的光纤陀螺可以替换为微机械陀螺，经纬仪涵盖全站仪。

上述光纤陀螺经纬仪的寻北方法包括静态寻北方法和动态寻北方法两种，以下对其过程进行说明：

1、静态寻北方式为：

首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，第一点采集完毕后，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出，与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，到达指定位置后测量控制模块关闭驱动马达，开始第二点采集，第二点采集完毕重复上述过程，直至解算要求的所有位置采集完毕，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

在光纤陀螺经纬仪静态寻北方式下，光纤陀螺旋转位置变化引起的误差的补偿方法：标定在不同位置变化下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

如图4所示，光纤陀螺经纬仪四位置静态寻北闭环控制工作原理：

光纤陀螺经纬仪接收到寻北任务后，开始采集第一位置光纤陀螺的输出，第一位置称为初始位置。第一位置光纤陀螺的输出采集完毕，启动水平转动驱动马达，使光纤陀螺和经纬仪水平旋转部水平转动，同时采集经纬仪水平旋转部的水平角度输出，依此判定是否到达第二测量位置。第二测量位置到达时，关闭水平转动驱动马达，停止采集经纬仪水平旋转部的水平角度输出，开始采集光纤陀螺的输出。第二测量位置采集完毕后，同上方法到达第三、第四位置。四位置采集完毕，解算出第一位置光纤陀螺闭合光路法向即光纤陀螺敏感轴与北向夹角，从而解算出经纬仪望远镜指向与北向夹角，置经纬仪水平角度数据，使经纬仪输出寻北结果，完成寻北任务。

2、动态寻北方式为：

首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，采集完毕后开始动态寻北，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平匀速转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出及光纤陀螺的输出；经纬仪水平旋转部的水平角度输出与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，同时控制光纤陀螺及经纬仪水平旋转部的水平旋转速度和旋转角度，光纤陀螺旋转360度后测量控制模块关闭驱动马达，依据光纤陀螺旋转360度的全部输出，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，根据不同的精度要求，可采用转动多周的方法，即水平转动的角度为N×360度（N=1，2，3，···），在水平旋转过程中，测量光纤陀螺的输出，旋转结束后解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，光纤陀螺旋转角速度变化引起的误差的补偿方法：标定在不同水平旋转角速度下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

如图5所示，光纤陀螺经纬仪动态寻北闭环控制工作原理：

光纤陀螺经纬仪接收到寻北任务后，开始采集第一位置即初始位置光纤陀螺的输出。第一位置光纤陀螺的输出采集完毕，启动水平转动驱动马达，使光纤陀螺和经纬仪水平旋转部水平转动，同时采集经纬仪水平旋转部的水平角度输出和光纤陀螺的输出，依经纬仪水平旋转部的水平角度输出判定是否旋转N×360度（N=1，2，3，···）。位置到达时，关闭水平转动驱动马达，停止采集经纬仪水平旋转部的水平角度输出及光纤陀螺的输出。解算出第一位置光纤陀螺闭合光路法向即光纤陀螺敏感轴与北向夹角，从而解算出经纬仪望远镜指向与北向夹角，置经纬仪水平角度数据，使经纬仪输出寻北结果，完成寻北任务。

Claims (10)

1.一种光纤陀螺经纬仪，包括光纤陀螺和经纬仪，其特征在于：光纤陀螺安装在经纬仪的水平旋转部，该光纤陀螺闭合光路法向与经纬仪水平旋转轴垂直，经纬仪底座固定部分外侧安装一个经纬仪底座齿轮，该经纬仪底座齿轮通过齿轮组连接一个安装在经纬仪水平旋转部上的驱动马达。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺经纬仪，其特征在于：所述的经纬仪水平旋转部安装测量控制模块，该测量控制模块与驱动马达电连接。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺经纬仪，其特征在于：所述的齿轮组包括主动摩擦轮、从动摩擦轮以及驱动齿轮，驱动马达的电机轴同轴连接主动摩擦轮，该主动摩擦轮联动从动摩擦轮，该从动摩擦轮同轴连接驱动齿轮，该驱动齿轮啮合连接经纬仪底座齿轮。

4.根据权利要求2所述的光纤陀螺经纬仪，其特征在于：所述的经纬仪上安装一个或多个外罩，光纤陀螺、驱动马达、齿轮组、经纬仪底座齿轮以及测量控制模块均位于外罩内部。

5.根据权利要求1所述的光纤陀螺经纬仪，其特征在于：所述的经纬仪涵盖全站仪。

6.一种如权利要求1所述的光纤陀螺经纬仪的寻北方法，其特征在于：包括静态寻北方法和动态寻北方法。

7.根据权利要求6所述的光纤陀螺经纬仪的寻北方法，其特征在于：所述的光纤陀螺经纬仪静态寻北方式为：首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，第一点采集完毕后，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出，与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，到达指定位置后测量控制模块关闭驱动马达，开始第二点采集，第二点采集完毕重复上述过程，直至解算要求的所有位置采集完毕，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

8.根据权利要求6所述的光纤陀螺经纬仪寻北方法，其特征在于：所述的光纤陀螺经纬仪动态寻北方式为：首先，测量对准目标时的光纤陀螺的输出及经纬仪水平旋转部的水平角度输出，采集完毕后开始动态寻北，通过测量控制模块启动驱动马达，通过主动摩擦轮、从动摩擦轮带动驱动齿轮，与经纬仪底座齿轮咬合的驱动齿轮带动经纬仪水平旋转部水平匀速转动，转动过程中测量经纬仪水平旋转部的水平角度输出及光纤陀螺的输出；经纬仪水平旋转部的水平角度输出与测量控制模块及经纬仪底座、经纬仪底座齿轮、驱动齿轮、驱动马达、主动摩擦轮、从动摩擦轮形成闭环控制，同时控制光纤陀螺及经纬仪水平旋转部的水平旋转速度和旋转角度，光纤陀螺旋转360度后测量控制模块关闭驱动马达，依据光纤陀螺旋转360度的全部输出，测量控制模块解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束；

在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，根据不同的精度要求，可采用转动多周的方法，即水平转动的角度为N×360度（N=1，2，3，···），在水平旋转过程中，测量光纤陀螺的输出，旋转结束后解算寻北结果，并将寻北结果输出到经纬仪水平旋转部，寻北结束。

9.根据权利要求7所述的光纤陀螺经纬仪寻北方法，其特征在于：在光纤陀螺经纬仪静态寻北方式下，光纤陀螺旋转位置变化引起的误差的补偿方法：标定在不同位置变化下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

10.根据权利要求8所述的光纤陀螺经纬仪寻北方法，其特征在于：在光纤陀螺经纬仪动态寻北方式下，光纤陀螺旋转角速度变化引起的误差的补偿方法：标定在不同水平旋转角速度下的光纤陀螺的输出，在光纤陀螺经纬仪实际测量中予以补偿。

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