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    光纖陀螺尋北儀原理和應用

    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角速率在當地水平面投影方向(即真北方位)的一種慣性測量系統。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、地對地導彈和地面雷達等機動武器系統提供方位參考。根據所用陀螺類型,陀螺尋北儀可分為以下三種:

    以二自由度陀螺作為地球自轉敏感器的尋北儀(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(如捷聯式陀螺尋北儀)
    平臺尋北系統
          陀螺尋北儀對環境的振動干擾(特別是對低頻振動干擾)極為敏感。根據使用環境,陀螺尋北儀可分為地面架設的高精度尋北儀、車載陀螺尋北儀和船用動基座陀螺尋北儀三種。
    光纖陀螺尋北儀是一種自主指示方位的高精度慣性儀器,它能夠在不輸入緯度值的情況下,給出載體與真北方向的夾角。利用光纖陀螺儀測得的地球自轉角速率值及加速度計測得的陀螺儀與水平面夾角,經過計算機解算可以得到載體的基線與真北方向的夾角,放置于基線上的加速度計可以測出尋北儀的姿態角。

           光纖陀螺尋北儀所使用的光纖陀螺是固態器件,沒有轉動部分,因此能夠耐沖擊、抗振動。這是其它非光纖類陀螺無法做到的。本文主要介紹光纖陀螺儀在尋北儀中的應用。


    工作原理
    光纖陀螺尋北儀原理
          光纖陀螺(Fiber Optic Gyroscope, FOG)是基于Sagnac效應的新型全固態陀螺儀,是一種無機械轉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、集成可靠等優點,是新一代捷聯式慣性導航系統中理想的慣性器件。

          在基于光纖陀螺的尋北應用中,采用的大多數方法是FOG轉動固定角度,通過確定偏移量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。一般使用一個旋轉平臺如圖1所示,將光纖陀螺置于動基座上,動基座平面平行于水平面,光纖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。假設光纖陀螺敏感軸的初始方向與真北方向的夾角為α。陀螺在位置1 的輸出值為ω1;然后轉動基座90°,在2位置測得陀螺的輸出值為ω2。依次再轉動兩次90°,分別轉到3和4的位置,得到角速度ω3和ω4。


    圖 1. 陀螺尋北示意圖


    圖 2. 地球自轉在陀螺敏感軸上的投影

           假設測量點的緯度為φ,地球自轉為ωe, 則1位置測得的角速度為:


    其中,ε(t1)為陀螺輸出的零點漂移。同理可得:


    在短時間內,假設光纖陀螺的漂移為一常量,即:ε(t1)=ε(t2)=ε(t3)=ε(t4),




           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的緯度值。如果測量地點的緯度為已知值,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。


    基座的傾斜對尋北精度的影響

          上面的分析是基于動基座平面水平,即光纖陀螺的敏感軸處于水平面內而得出的結論。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。下面分析當基座平面不水平時,傾角對方位角測量產生的影響。
    設載體的姿態角為α,β,γ,分別表示航向角、傾斜角和俯仰角。建立如下坐標系:


    1) 地理坐標系OXnYnZn,其方向分別為東、北、天, 如圖3中左圖所示。
    2) OX1Y1Z1坐標系, 是坐標系OXnYnZn繞Zn軸旋逆時針轉α角得到。
    3) OX2Y2Z2 坐標系,是坐標系OX1Y1Z1繞X1軸旋逆時針轉β角得到。
    4) 載體坐標系OXbYbZb,是坐標系OX2Y2Z2繞Y2軸旋逆時針轉γ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,陀螺坐標系與之重合,即陀螺敏感軸與OXb 軸重合,如圖3中右圖所示。


    圖 3. 地理坐標系和載體坐標系

    可以得出地理坐標系OXnYnZn到陀螺坐標系OXbYbZb的轉換矩陣為:








    AgileLight-NS100的慣性尋北實驗

          由于基座本身并非精確指向真北方向,因此絕對值沒有意義。兩次測量之差為40。283°。絕對誤差為0。283°。
          此外, 我們還隨機測量了6組角度, 每次測量的平均時間為20s。所有的測量誤差均小于0.5°。
    結論

          光纖陀螺尋北儀結構簡單,性能優異,特別是能夠抵抗沖擊和各種惡劣環境。在轉臺水平的情況下它能夠在不輸入緯度值的情況下,給出載體與真北方向的夾角。在轉臺不嚴格水平的情況下, 也利用光纖陀螺儀測得的地球自轉角速率值及加速度計測得的陀螺儀與水平面夾角,經過計算機解算得到載體的基線與真北方向的夾角,同時加速度計還可以測出尋北儀的姿態角。

           初步實驗顯示無錫慧聯AgileLight-NS系列的光纖陀螺儀在做尋北儀實驗中表現出良好的角分辨力、高測量精度以及高穩定性,實驗中所有測量角度誤差均小于0.5°。


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