寻北仪的方位引出方法

寻北仪的方位引出方法

陀螺寻北仪的寻北测量结果需要传递给使用者,这就需要解决寻北方位引出问题。早期的摆式-液浮的和吊丝式寻北仪-都与经纬仪相连，以经纬仪望远镜光轴为寻北方位输出。

理论上讲，寻北方位输出应该以敏感地速水平分量的陀螺敏感轴为寻北方位输出轴，但是由于理论上的陀螺敏感轴难以直接观测或者引出不便因此通常以陀螺的安装基面或通过标定,将敏感轴传递到寻北仪的某个固定轴线例如经纬仪的水平光轴或者某个固定垂直基面的法线作为寻北结果的输出轴。

根据使用方法的不同采用不同的引出方法，此时需要考虑的是：标定和引出方便、易于检测和常数标定、与理论敏感轴之间的关系稳定、使用过程中易于保护等。

1.车载寻北仪

车体本身是机动的但是车载寻北仪是直接安装在车上的，寻北仪的寻北测量结果需要传递给车载导航仪或者车载雷达、火炮、火箭发射装置等，因此通常是以寻北仪外壳的侧向安装基面（法线）与车载导航仪建立固定的关系，经过标定测量来确定两者之间的固定安装角。为了防止传递关系的变化需要定期检测。见图1

自寻北航向仪是具有自寻北功能的惯性航向保持装置其航向仪的水平安装基面既是航向仪的输出基面也是寻北结果的输出基面。

2摆式（吊丝）陀螺寻北仪

2.1.普通吊丝式寻北仪

最初的摆式陀螺寻北仪MW10为半液浮的宝石轴承定位，相当于质心下移的悬浮式自由陀螺。陀螺房上安装的侧向平面镜其法线大致平行于陀螺H轴。

大约在1975年德国研制出上挂摆式（陀螺敏感部安装在经纬仪之上）吊丝式陀螺经纬仪，简称为吊丝式陀螺经纬仪，这是摆式陀螺寻北仪发展的一个里程碑。后来出现下挂式，而上挂式被淘汰。

这些寻北仪与普通经纬仪连接在一起，称为陀螺经纬仪。通过标定，将陀螺H轴与经纬仪望远镜光轴建立稳定的方位角关系，将其寻北结果从经纬仪传递出去。见图2

2.2.美国ALINE陀螺寻北仪（陀螺经纬仪）

ALINE寻北仪的方位引出方法是在方位跟踪转台上固定一片倾斜45°的平面镜，其法线的水平投影即为寻北方位引出线。转台上的小型准直经纬仪向下俯45°来准直平面镜即完成寻北方位向经纬仪光轴的传递。经纬仪仰角45°回到水平位置再向用户传递。见图3 此时望远镜的俯仰偏差被带入了，为此需要计入经纬仪的俯仰偏差。

由于每次方位引出都需要经纬仪重新准直倾斜平面镜因此，经纬仪可以临时安置在转台上。

ALINE和下面的MARCS寻北仪中的陀螺房摆动传感器都是感应式的而不是光学的。

2.3.美国MARCS高精度吊丝式寻北仪

MARCS高精度寻北仪是世界最高精度的吊丝式寻北仪（2″级），作为野战条件下校正普通寻北仪的方位基准。其方位转台上没有安装经纬仪因此不能称为陀螺经纬仪。它的方位引出方法是：在方位跟踪转台上安装一个直角棱镜，其法线即为寻北方位引出线。用户通过准直这个直角棱镜得到寻北方位。由于减少了一些方位传递环节因此具有更高的稳定性。其实，就经纬仪本身来说，从底部的安装面到上部的经纬仪望远镜之间以及度盘与上下回转机

构之间并非固定的整体结构其中就有回转（也可以说是方位传递）机构。见图4 另外，与普通陀螺经纬仪相比，因为没有上部的经纬仪，使寻北仪的整体质心大大的向下移动了因此也大大提高了系统的稳定性。

3.四位陀螺罗盘的寻北方位引出方法

以上几种寻北仪都是通过与已知北向基准进行比对完成所谓的常数标定将陀螺寻北轴间接的转移的寻北仪的某个输出基面。考虑到陀螺漂移，各安装误差和安装基面的稳定性以及多次传递误差等等造成仪器常数不稳定，因此需要定期或者不定期进行校准。而美国四位陀螺罗盘属于半固定式寻北仪,其寻北方位引出方法是一种最理想的方位引出方法。这里，陀螺被安装在水平翻转轴上，轴的两端安装有平面镜，其法线基本平行于水平翻转轴。在每次寻北采样完成之后，水平轴要翻转180°进行第二次采样测量。简单的翻转之后的第二次采样与前次采样相减，将陀螺“常值漂移”，轴侧镜法线与水平轴之间的平行差以及各种安装误差全部对消从而成为具有绝对寻北测量功能的寻北仪。采用四位寻北采样还可以消除其他一些误差。见图5

4.摆式陀螺寻北仪H直接引出的设想

严格说，摆式陀螺寻北仪在忽略了陀螺房悬带扭力和外部干扰转矩，例如磁场干扰，干扰气流的条件下，陀螺的理论H轴将对称天文北做方位摆动，在有速度阻尼条件下摆动衰减的零位处于子午面内，在赤道处，H轴平行地轴，在其他纬度条件下，H轴存在俯仰角但是其水平面投影就是当地的真北方向，此时只要我们设法将H轴方位直接引出来我们就可以得到真北方位，完成绝对寻北。

那么如何将理论H轴引出呢？本人提出如下设想：在陀螺H轴一端安装一个平面镜，尽可能使其法线平行于H轴。考虑到陀螺马达轴承的精度，马达轴的轴线并非理论H轴。转子旋转一周时侧向平面镜法线在水平面的投影并非时理论上的一个点而是一个不规则的“椭圆”。此外，在寻北运动过程中，H轴存在俯仰角，形成上下移动的椭圆，如果将这不规则椭圆上画一条垂线将椭圆分割成左右面积相等的两半那么这条垂直平分线即可作为理论上的H方位引出线。

此时目视准直陀螺轴平面镜的返回图像不会是一个十字线可能是一个不规则的模糊椭圆，我们将目视镜的固定十字线与椭圆的垂直平分线的竖线对准应该就完成了吊丝式寻北仪的绝对寻北。