CN1434270A - 一种陀螺定向方法 - Google Patents

Abstract

一种陀螺定向方法，首先架设陀螺仪、进行陀螺仪的初定向，使陀螺轴摆动的平衡位置在真北附近，然后测量高速旋转的陀螺轴的摆动速度，根据测量的陀螺轴摆动速度，确定摆动速度最大时的陀螺轴在陀螺仪分划板上的读数，该读数即为陀螺轴摆动的平衡位置在陀螺仪分划板上的读数，再计算零位改正，根据零位改正修正陀螺北，即完成陀螺仪真北的精确定向。本发明方法简单，分辨率高，易于实现自动化观测，可在短时间内快速和精确地完成定向，这对于对定向时间要求高的导弹机动发射等定向任务显得尤为重要。本发明可用于陀螺仪外壳固定不动的定向测量，也可用于陀螺仪外壳跟随陀螺轴摆动进行的定向测量。

Description

一种陀螺定向方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺定向方法。

背景技术

陀螺定向的过程为架设仪器，初定向和精确定向。现有的陀螺精确定向方法有逆转点法、中天法和时差法等，较先进和快速的精确定向方法有西德魏斯特发伦采矿联合公司矿山测量研究所研发的积分定向方法(《陀螺经纬仪基本原理、结构与定向》，煤炭科学研究院唐山分院陀螺经纬仪组)、三点测时定向方法(《陀螺定向测量》，于来法)和陀螺定向的对称测时方法(ZL90105564.6)。

积分定向方法属于陀螺外壳固定不动的定向测量方法，该方法从t₀时刻开始测量，在不同的时刻测量陀螺灵敏部零位与陀螺仪的分划板零刻划间的距离，即相对于分划板零刻划的坐标。测量一个完整的周期后，对一个完整的周期内的采样坐标进行积分计算，其结果即为陀螺轴摆动的平衡位置相对于陀螺仪的分划板零刻划间的坐标，该坐标表示了陀螺轴摆动的平衡位置相对于陀螺仪的分划板零刻划间的距离--两者间的夹角。转动陀螺外壳使陀螺仪的分划板零刻划移动到所测量的陀螺轴摆动的平衡位置，再次进行积分定向测量，直至陀螺仪的分划板零刻划与陀螺轴摆动的平衡位置重合。该方法需要多个周期才能完成精确定向。

三点测时定向方法属于陀螺外壳固定不动的定向测量方法，该方法测量陀螺灵敏部零位穿过陀螺仪的分划板上三条刻划的时间，不测摆幅而完成定向。该方法依据摆动时间对称的原理，根据摆动的时间差进行摆动平衡位置的测量，观测一次至少需要半周期。

陀螺定向的对称测时方法是三点测时定向方法中的特例，它选择了特定的刻划，即陀螺仪的分划板零刻划及其两侧对称的刻划作为三个测量刻划，通过测量陀螺灵敏部零位穿过这三条刻划的时间，依据时间差进行定向的方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可快速精确完成定向任务的陀螺定向方法。

本发明提供的技术方案是：一种陀螺定向方法，首先架设陀螺仪、进行陀螺仪的初定向，使陀螺轴摆动的平衡位置在真北附近，然后测量高速旋转的陀螺轴的摆动速度，根据测量的陀螺轴摆动速度，确定摆动速度最大时的陀螺轴在陀螺仪分划板上的读数，该读数即为陀螺轴摆动的平衡位置在陀螺仪分划板上的读数，再计算零位改正，根据零位改正修正陀螺北，即完成陀螺仪真北的精确定向。

在进行上述定向过程的同时，按三点测时定向方法进行定向，并将结果用于对上述定向方法的检核。

不同的定向方法的比较如下，采用积分定向方法完成定向至少需要一个摆动周期，通常需要多个摆动周期才能完成精确定向。采用对称测时定向方法完成定向，9点快测法至少需要一个半摆动周期。采用本方法只需不多于半个摆动周期就可完成精确定向。

本发明的陀螺定向方法由于采用摆动速度测量方案，而且是在摆动速度最大位置的附近进行精确定向，具分辨率明显提高，可在短时间内快速完成定向，并且完成精确定向的精度也大大优于现有初定向的方法。本发明不仅方法简单，而且可快速和精确地完成定向，使得完成定向的时间大为缩短，这对于对定向时间要求高的导弹机动发射等定向任务显得尤为重要。

本发明的陀螺定向方法所采集的测量数据，实际上也包含了三点测时定向方法所需要的测量数据，这就使得本发明的陀螺定向方法的定向结果，可在不需要任何其它的条件下用三点测时定向方法的定向结果进行检核。

本发明的陀螺定向方法简单易行，计算也简单，可很容易地实现半自动化或自动化定向观测。

本发明的陀螺定向方法可用于陀螺仪外壳固定不动的定向测量，也可用于陀螺仪外壳跟随陀螺轴摆动进行的定向测量。

附图说明：

图1为真北、陀螺轴摆动平衡位置与分划板零刻划关系示意图；

图2为陀螺轴摆动的位置与速度曲线图。

具体实施方式

本发明运用测量陀螺轴摆动速度实现陀螺定向的方案，在实际使用中，首先架设陀螺仪，按现有初定向方法使陀螺仪完成初定向，在完成初定向后，陀螺轴摆动的平衡位置2位于真北1的附近，当陀螺高速旋转时，可自由摆动的陀螺轴在真北1附近摆动，陀螺轴摆动的位置为相对于分划板零刻划3的坐标。

陀螺高速旋转时陀螺轴的摆动方程为：

α(t)＝α₀+Ae^-n.tsin(ω.t+)    …………    (1)

α₀——陀螺轴摆动平衡位置的分划板读数；

A——陀螺轴摆动的最大摆幅；

n——陀螺摆幅的衰减因子；

ω——陀螺轴摆动角速度；

——t＝0时的陀螺轴摆动的初相位；

t——相对于初相位为起始时刻的时间；

α(t)——时间t时的陀螺轴的分划板读数；

陀螺定向测量就是为了测量陀螺轴摆动平衡位置2的分划板读数4，并求得真北1在陀螺仪分划板上的读数5，进而实现陀螺仪的定向。由式(1)得陀螺轴的分划板读数的速度方程为：

dα/dt＝Ae^-n.t(ωcos(ω.t+)-nsin(ω.t+))    …………    (2)设 $\sin \mathrm{\β}=n/\sqrt{n^2+{\mathrm{\ω}}^2},$ $\cos \mathrm{\β}=\mathrm{\ω}/\sqrt{n^2+{\mathrm{\ω}}^2},$ 由(2)式得：根据两角和的三角函数公式，由式(3)得陀螺轴的分划板读数的速度的简化方程为：

为了便于比较位置方程与速度方程的相位，根据正弦和余弦的相位关系将式(4)写为：

由式(5)可知，在(ω.t++β+π/2)＝n×π/2时，n＝1，5，9，13…，sin(ω.t++β+π/2)＝1，摆动速度达到正向最大；在(ω.t++β+π/2)＝n×π/2时，n＝3，7，11…，sin(ω.t++β+π/2)＝-1，摆动速度达到反向最大。比较式1和式5，其相位差为(β+π/2)，如果不考虑β的影响，摆动速度最大时，陀螺轴的分划板读数应等于陀螺轴摆动平衡位置2的分划板读数4。由于存在β的影响，摆动速度最大时的陀螺轴的分划板读数并不为陀螺轴摆动平衡位置2的分划板读数4，其相位略有滞后，即摆动位置曲线8滞后于摆动速度曲线7的β角，从而产生一个小小的误差，时标线9处的摆动位置曲线和摆动速度曲线显示了该相位关系和误差大小。由于n相对于ω是一个很小的量，故β很小，根据DJ2-T20陀螺经纬仪的数据计算，β＝0.004”，其影响可以忽略。因此陀螺轴摆动速度的绝对值达到最大时，其陀螺轴在时间和空间上与陀螺轴摆动平衡位置2相对应。利用该特性通过测量陀螺轴的摆动速度，在摆动速度绝对值达到最大的时空点上，陀螺轴位于平衡位置2，从而实现陀螺的定向。

高速旋转的陀螺的轴的摆动，在摆动的平衡位置2处，摆动速度最快；在逆转点，摆动速度为零。在多个时刻用计时器记录观测时间t_i，，人工读取记录该时刻的陀螺轴相对于分划板零刻划3的坐标α_i，在半个摆动周期内摆幅的衰减很小，可忽略不计，即e^-nt＝1，此时摆动方程为α＝α₀+Asin(ω.t+)，在半个摆动周期内摆动方程可以展开为级数α＝b₀+b₁t+b₂t²+b₃t³，摆动速度方程为dα/dt＝c₀+c₁t+c₂t²。，摆动加速度方程为d²α/dt²＝d₀+d₁t。t_i+1--t_i时段的平均摆动速度为(dα/dt)_k＝(α_i+1-α_i)/(t_i+1-t_i)，对应的时刻为 t_k＝(t_i+1+t_i)/2。t_i+2--t_i时段的平均摆动加速度为(d²α/dt²)_j＝((dα/dt)_k+1-(dα/dt)_k)/(t_k+1-t_k)，t_j＝(t_k+1+t_k)/2。根据多个(d²α/dt²)_j，t_j，通过曲线拟合计算可得到陀螺轴的摆动加速度方程的参数d₀，d₁。摆动加速度为零时摆动速度最大，摆动加速度为零的时刻t_max＝-d₀/d₁。与t_max相应的陀螺轴相对于分划板零刻划3的坐标 ${\mathrm{\α}}_{\max }=b_0+b_1{t}_{\max }+b_2{t}_{\max }^2+b_3{t}_{\max }^3,$ α_max即为陀螺轴摆动的平衡位置2--陀螺北方向。再利用常用的零位改正进行陀螺北到真北1的零位改正6(Δα)，即根据测量的陀螺轴摆动的平衡位胃2在陀螺仪分划板上的读数一陀螺北4(α₀)和仪器常数λ，计算真北1在陀螺仪分划板上的读数5即α_N＝α₀(1+λ)，从而完成陀螺仪的定向。

陀螺轴的摆动速度也可以采用光电转换器和计时器进行测量，在陀螺仪的分划板处，安置多个光电传感器，当陀螺轴摆动时，陀螺轴的影像经过某个光电传感器时，产生读取时间的触发信号，记录此刻的时刻，记录了多个时刻和陀螺轴相对于分划板零刻划3的坐标，就可实现陀螺轴摆动速度的测量。

Claims (2)

1.一种陀螺定向方法，首先架设陀螺仪、进行陀螺仪的初定向，使陀螺轴摆动的平衡位置在真北附近，然后精确定向，其特征是：精确定向首先测量高速旋转的陀螺轴的摆动速度，根据测量的陀螺轴摆动速度，确定摆动速度最大时的陀螺轴在陀螺仪分划板上的读数，该读数即为陀螺轴摆动的平衡位置在陀螺仪分划板上的读数，再计算零位改正，根据零位改正修正陀螺北，即完成陀螺仪真北的精确定向。

2.根据权利要求1所述的定向方法，其特征是：在进行上述定向过程的所采集的数据，按三点测时定向方法进行定向计算，可得到三点测时定向结果，并将结果用于对上述定向方法的检核。

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