寻北仪的方位引出方法

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摆式陀螺寻北仪步进寻北原理

摆式陀螺寻北仪步进寻北法1982．10．1前言悬挂摆式陀螺寻北仪是目前使用最广的一种寻北系统。

它能在几十分钟到几分钟内准确地测定出天文北，而不需要观测天星或地面目标。

仪器的主要部分是一个用恒弹性金属悬带自由悬吊着的陀螺房，其内部装有高速旋转的陀螺马达，马达的转轴即H轴呈水平放置。

由于陀螺房的悬挂点在其重心下部，因而构成一个能敏感地球自转角速度水平分量的陀螺摆，在地球自转运动的作用下水平状态的H轴将绕铅垂方向作正弦摆动。

当悬带不受扭时(通常可以通过上悬带夹跟踪方法消除其扭力影响)，H轴摆动的平衡位置即为真北方位。

为了测得这个平衡位置可以有许多不同的方法，如逆转点方法、时差方法、力反馈方法、循环阻尼方法等等。

1977年西德学者H. Rymarczyk提出一种新的寻北方法－“叠代步进”寻北方法(1)，以下简称“步进”寻北方法。

此方法曾经被用于西德矿山测绘所研制的MW50手动测量寻北仪。

在高精度MW77（Gyromat2000的前身）陀螺寻北仪中，由于测量摆动的线性光电传感器的敏区有限，在初始架设时如果陀螺H轴偏离北向比较大时，陀螺摆动的平衡位置可能偏离光电传感器的敏区（或者形成切割），因而无法完成光电自动积分测量。

采用步进”寻北可以完成快速粗寻北，将陀螺房的摆动收敛到光电传感器的敏区之内。

此过程在MW77是手动完成而Gyromat2000 则是自动完成。

文献1只对步进寻北方法的操作作了简单说明，而文献2只给出了大刚度悬带条件下即扭力比K〉1的步进寻北过程曲线。

均未提到K〈1条件下寻北测量方法、初始偏北角与步进次数的关系及理论真北的计算方法，也没有给出具有明显物理意义的寻北运动方程。

本文对其寻北过程的本质作了明确的解释，从简单的物理过程出发推导了包括K〉1在内的各关系式，其正确性已通过大量试验进行了证明，并成功地用于TJ－76和TDJ-83（西安101厂生产，目前可能已经改型了）陀螺经纬仪。

2步进寻北原理为了说明步进寻北法的原理，我们先分析一下陀螺摆在悬带受扭条件下的运动，然后介绍步进衰减的寻北过程。

陀螺仪高精度寻北方法

陀螺仪⾼精度寻北⽅法⼈们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球⾃转，发明了陀螺仪。

那个时代的陀螺仪可以理解成把⼀个⾼速旋转的陀螺放到⼀个万向⽀架上⾯，这样因为陀螺在⾼速旋转时保持稳定，⼈们就可以通过陀螺的⽅向来辨认⽅向，确定姿态，计算⾓速度。

⼀、陀螺仪的发明陀螺仪先后被⽤在航海上和航空上，因为飞机飞在空中，是⽆法像地⾯⼀样靠⾁眼辨认⽅向的，危险性极⾼，所以陀螺仪迅速得到了应⽤，成为飞⾏仪表的核⼼。

到了第⼆次世界⼤战，德国⼈搞了飞弹去炸英国，从德国飞到英国，千⾥迢迢怎么让飞弹能击中⽬标呢？于是，德国⼈搞出来惯性制导系统。

惯性制导系统采⽤⽤陀螺仪确定⽅向和⾓速度，⽤加速度计测试加速度，然后控制飞⾏姿态，争取让飞弹落到想去的地⽅。

⼆战时候，计算机和仪器的精度都是不太够的，所以德国的飞弹偏差很⼤，想要炸伦敦，结果炸得到处都是，让英国⼈恐慌了⼀阵。

不过，从此以后，以陀螺仪为核⼼的惯性制导系统就被⼴泛应⽤于航空航天，今天的导弹⾥⾯依然有这套东西，⽽随着需求的刺激，陀螺仪也在不断进化。

⼆、陀螺仪的进化最早的陀螺仪都是机械式的，⾥⾯真有⾼速旋转的陀螺，⽽机械的东西对加⼯精度有很⾼的要求，还怕震动，因此机械陀螺仪为基础的导航系统精度⼀直都不太⾼。

于是，⼈们开始寻找更好的办法，利⽤物理学上的进步，发展出激光陀螺仪，光纤陀螺仪，以及微机电陀螺仪（MEMS）。

这些东西虽然还叫陀螺仪，但是它们的原理和传统的机械陀螺仪已经完全是两码事了。

光纤陀螺仪利⽤的是萨格纳克(Sagnac)效应，通过光传播的特性，测量光程差计算出旋转的⾓速度，起到陀螺仪的作⽤，替代陀螺仪的功能。

激光陀螺仪也是通过算光程差计算⾓速度，替代陀螺仪。

微机电陀螺仪则是利⽤物理学的科⾥奥利⼒，在内部产⽣微⼩的电容变化，然后测量电容，计算出⾓速度，替代陀螺仪。

iPhone和我们的智能⼿机⾥⾯所⽤的陀螺仪，就是微机电陀螺仪（MEMS）。

寻北仪工作原理

寻北仪工作原理探秘寻北仪：一窥地球磁场的“罗盘指路”在科技的世界里，有一种精密仪器犹如探险家手中的魔法指南针，它能精准捕捉到地球母亲脉搏的跳动，沿着磁力线翩翩起舞，这就是我们今天要揭开神秘面纱的主角——寻北仪。

你可能会问，“哎呦喂，这玩意儿究竟如何工作？又为何能在大千世界中独领风骚？”别急，这就带你一步步走进它的奇妙世界。

寻北仪，顾名思义，就是寻找地理北极的神器。

在地球这颗巨大的“磁铁”上，其核心产生的磁场就如同无形的丝线，贯穿南北两极。

而寻北仪正是通过感知并解码这些磁力线，从而实现定位和导航的功能。

说白了，它就像一只聪明绝顶的小精灵，能够读懂地球磁场的“密码”，然后告诉我们：“嘿，兄弟，北方在这儿呢！”寻北仪的工作原理，其实内含乾坤，堪比一场精妙绝伦的地球物理学表演。

首先，仪器内部装有高灵敏度的磁强计，这是它的“眼睛”，能敏锐地捕获周围微弱的磁场变化。

一旦开机，磁强计便开始忙碌起来，像只勤奋的小蜜蜂，不断采集并分析周遭的磁场信息。

其次，寻北仪内置的电子系统则扮演着“大脑”的角色，通过对磁强计收集的数据进行实时处理，计算出磁北方向。

这一过程仿佛是大自然与高科技的一次深度对话，磁场信号经过数字化、解析化，最终转化为我们看得懂、用得上的导航数据。

接下来，寻北仪通常会配备一个指向机构，比如指示针或者显示屏，它们是与用户直接交流的“嘴巴”。

无论环境多么复杂，只要找到磁北，这个“嘴巴”就会毫不犹豫地指向那个方向，坚定而准确。

当然，为了提高精度和适应各种复杂环境，高级的寻北仪还会采用诸如陀螺仪等辅助设备进行修正，确保在动态或磁干扰环境下仍能精确寻北。

这种精益求精的精神，真是让人忍不住拍案叫绝：“乖乖，这家伙还真有一套！”综上所述，寻北仪凭借其对地球磁场的深刻理解和巧妙利用，成为了现代科技领域中不可或缺的一员。

从地质勘探、建筑施工，到航天航海、军事应用，哪里需要精准定位，哪里就有寻北仪的身影。

它以独特的技术魅力和实用价值，向我们生动诠释了科学探索的力量与智慧，真可谓“小小身躯，大大能量”。

寻北仪原理

寻北仪原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊寻北仪原理这神奇的玩意儿。

你说这寻北仪啊，就像是一个超级厉害的指南针，但可比普通指南针牛多啦！它就像我们在生活中遇到困难时那个能精准指出方向的好朋友。

想象一下，你在茫茫荒野中，周围啥标志都没有，就像在一个大迷宫里一样。

这时候寻北仪就闪亮登场啦！它能稳稳地告诉你北方在哪里，让你不再迷茫。

它是怎么做到的呢？其实啊，就靠一些特别的技术和原理。

寻北仪里面有一些超级敏感的元件，就好像是它的小眼睛，能敏锐地察觉到地球的磁场。

这就跟我们能通过眼睛看到美丽的风景一样神奇呢！这些小眼睛会把感受到的磁场信息传递给仪器的大脑，然后经过一番计算和处理，嘿，北方的方向就出来啦！这是不是很厉害？就好像它有一双神奇的手，能在混乱中准确地抓住正确的方向。

咱平时走路可能还会迷失方向呢，可寻北仪就不会。

它总是那么坚定，那么可靠。

而且啊，寻北仪可不像我们有时候会犯迷糊，它总是那么精确，那么一丝不苟。

它就像是一个严谨的科学家，一点点偏差都不允许。

这要是放在我们生活中，那得是多么优秀的品质啊！你说这寻北仪的原理神奇不神奇？它就像是一个隐藏在科技世界里的小魔法，默默地为我们指引着方向。

我们得好好珍惜它，利用它，让它带着我们在未知的世界里勇敢前行。

反正我是觉得寻北仪真的太了不起啦！它让我们在探索世界的时候有了更多的信心和勇气。

不管是在野外探险，还是在其他需要确定方向的场合，它都能发挥巨大的作用。

我们真应该好好感谢那些发明寻北仪的科学家们，是他们让我们的生活变得更加方便和有趣。

所以啊，朋友们，当你们下次看到寻北仪的时候，可别小瞧了它哦！它可是有着大本事的呢！让我们一起为寻北仪点赞吧！。

静基座寻北

寻北仪方案 & 静基座寻北算法
2013-8-5
目
1
录
陀螺寻北仪原理
2
捷联式寻北系统
3
水平条件下的四位置寻北算法
4
倾斜条件下的四位置寻北算法
§1 陀螺寻北仪原理
陀螺寻北技术一般可分为两类：陀螺罗经式
直接利用双自由度转子陀螺特性的陀螺罗经式自主寻北技术，包含陀螺罗经系统和摆式陀螺寻北仪，特点是精度高、定向时间较长。
寻北系统中，光纤陀螺输入轴与转台面平行，若转台面是水平的，当转台转到四个正交位置
:

N1 K g 0 K g1 N cos( 1 ) g

90 : N 2 K g 0 K g1 N cos( 2 90 ) g
180 : N3 K g 0 K g1 N cos( 3 180 ) g
270 : N 4 K g 0 K g1 N cos( 4 270 ) g
§3 水平条件下的四位置寻北方法
对于转台的角定位误差及陀螺的安装误差，可事先进行标定或补偿（也可视情况忽略不计），可近似认为：
1 2 3 4 0
则有：
N1 N 3 cos 2 K e cos
综上可见，寻北精度与陀螺漂移、转台定位误差、陀螺安装误差、及标度因数误差有关，而其中关键是四个位置上光纤陀螺总漂移的均值稳定性，这主要与测量时间、光纤陀螺短期零位稳定性及随机游走因素有关。
N4 N2 sin 2 Ke cos N4 N2 arctan N1 N 3
捷联式寻北
直接测量当地地理水平面上地球转速分量的方法，推算出当地真北方向，它不发生摆动，定向时间短，但指北精度不够高。

陀螺寻北仪原理(精度影响因素及技术参数)

式（18）
式（17）
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 -0.4 -0.6
误差/度
60
120
180
240
300
360
方位角/度
图8
仿真条件：纬度为 20 度；在两个采样周期（3 分钟）内的陀螺 x 轴漂移为+0.05，y 轴漂移+0.05; 俯仰角和横滚角分别为 5；仿真结果见图 9
225
270
315
360
图6 3．3 纬度误差对寻北精度的影响仿真条件：纬度为 40 度；纬度误差为：0.1 俯仰角和横滚角分别为 5；计算公式（17）式。
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附录：寻北仪主程序框图 GPS 加电
查询导航计算机
发送 GPS 数据 N
Y
寻北仪加
接收 GPS 数据
给陀螺和加速度计发出启动指令
寻北仪自检
接收导航计算机初始参数
接收 GPS 数据 N 寻北开始？ Y
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地理坐标系：取东为 Xg 轴的正方向，北为 Y g 轴的正方向，铅垂轴向上为 Z 轴的正方向，原点为寻北仪的质心。陀螺和加速度计的安装方式见图 1 和图 2

三轴光纤陀螺仪寻北原理

三轴光纤陀螺仪寻北原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊三轴光纤陀螺仪寻北原理。

你说这玩意儿神奇不神奇？就好像是一个超级敏锐的小侦探，能帮我们找到北方那个神秘的方向呢！咱先想想啊，这世界这么大，方向那么多，要是没有个靠谱的工具来指引，那可不得像只无头苍蝇一样乱撞呀！而三轴光纤陀螺仪呢，就像是我们在方向海洋里的灯塔。

它是怎么工作的呢？简单来说，它就像是一个特别厉害的舞者，在空间中不断地旋转、感知。

它里面有那些细细的光纤，就像是舞者的丝带一样，随着它的转动，能敏锐地感受到各种微小的变化。

你说这像不像我们在生活中对各种细节的捕捉呀？就好比我们通过观察身边的点点滴滴来判断事情一样。

三轴光纤陀螺仪也是通过对这些微小的信号的分析，来确定北方在哪里。

你看啊，它可以在各种复杂的环境下工作，不管是热得要命的沙漠，还是冷得刺骨的冰原，它都能稳稳地发挥作用。

这多厉害呀！这不就像是一个坚强的战士，不管遇到什么艰难险阻，都能坚定地向前冲嘛！而且哦，它的精度还特别高。

你想想，如果它指错了方向，那我们岂不是要走冤枉路啦！所以它得特别靠谱，就像我们信任自己最好的朋友一样信任它。

有时候我就想呀，这科技的发展可真是让人惊叹！从以前只能靠着太阳、星星来辨别方向，到现在有了这么先进的三轴光纤陀螺仪。

这就好像我们从走路变成了坐火箭一样，速度那叫一个快呀！咱再回过头来看看这三轴光纤陀螺仪寻北原理，是不是觉得特别有意思呀？它就像是一个隐藏在科技世界里的小秘密，等着我们去探索、去发现。

它就像一个无声的伙伴，默默地为我们指引着方向，让我们在探索世界的道路上不再迷茫。

我们应该好好珍惜这样的科技成果，让它为我们的生活带来更多的便利和惊喜呀！这三轴光纤陀螺仪寻北原理，真的是太神奇、太实用啦！。

寻北仪原理及典型指标参数

寻北仪原理简介和分类寻北仪是罗盘的一种，是用来寻找某一位置的真北方向值。

陀螺寻北仪又称陀螺罗盘，是利用陀螺原理测定地球自转角速率在当地水平面投影方向（即真北方位）的一种惯性测量系统。

它的寻北过程无需外部参考。

除受高纬度限制之外，它的寻北测量不受天气、昼夜时间、地磁场和场地通视条件的影响。

陀螺寻北仪是一种精密惯性测量仪器，通常用于为火炮、地对地导弹和地面雷达等机动武器系统提供方位参考。

根据所用陀螺类型，陀螺寻北仪可分为以下三种：◆以二自由度陀螺作为地球自转敏感器的寻北仪（如悬挂摆式陀螺寻北仪）◆以单轴速率陀螺作为敏感器的寻北仪（如捷联式陀螺寻北仪，高精度，例SDI-151）◆平台寻北系统陀螺寻北仪对环境的振动干扰（特别是对低频振动干扰）极为敏感。

根据使用环境，陀螺寻北仪可分为地面架设的高精度寻北仪、车载陀螺寻北仪和船用动基座陀螺寻北仪三种。

工作原理陀螺寻北仪原理陀螺仪是一种机械转动部件的惯性测量元件，具有耐冲击、灵敏度高、寿命长、功耗低、集成可靠等优点，是新一代捷联式惯性导航系统中理想的惯性器件。

在基于陀螺的寻北应用中，采用的大多数方法是FOG转动固定角度，通过确定偏移量计算相对北方向的夹角。

为了精确指北，还必须消除FOG的漂移。

一般使用一个旋转平台如图1所示，将陀螺置于动基座上，动基座平面平行于水平面，陀螺的敏感轴平行于动基座平面。

开始寻北时，陀螺处于位置1，陀螺敏感轴与载体平行。

假设陀螺敏感轴的初始方向与真北方向的夹角为。

陀螺在位置1 的输出值为；然后转动基座90°,在2位置测得陀螺的输出值为。

依次再转动两次90°，分别转到3和4的位置，得到角速度和。

图 1. 陀螺寻北示意图图 2. 地球自转在陀螺敏感轴上的投影假设测量点的纬度为，地球自转为，则1位置测得的角速度为：其中，为陀螺输出的零点漂移。

同理可得：在短时间内，假设陀螺的漂移为一常量，即：, 则用此方法测量，可以消除陀螺的零偏，也不需要知道测量地点的纬度值。

陀螺寻北仪的工作原理

陀螺寻北仪的工作原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊陀螺寻北仪这玩意儿的工作原理，可神奇啦！
你看啊，陀螺寻北仪就像是一个特别厉害的指南针，但可比普通指南针牛多了。

它就像是一个聪明的小精灵，能在各种复杂的环境中准确地找到北方。

想象一下，陀螺就像是一个在舞台上旋转的舞者，不停地转啊转。

而这个舞者可不简单，它能通过自己的旋转感知到地球的磁场呢！当我们把陀螺寻北仪启动后，这个小陀螺就开始欢快地转起来啦。

它为啥能找到北方呢？这就好像是它和地球之间有个秘密约定一样。

地球的磁场就像是给它指引方向的信号，陀螺通过感受这个磁场的变化，慢慢调整自己的姿态，最后稳稳地指向北方。

这难道不神奇吗？
它工作起来可认真啦，一点都不含糊。

不管周围环境怎么变化，它都能坚守自己的“岗位”，一心一意地找北方。

就像一个忠诚的卫士，永远不会迷失方向。

你说它是不是很厉害？就那么一个小小的仪器，里面蕴含着这么大的奥秘。

而且啊，它在很多领域都发挥着重要的作用呢，比如测绘、地质勘探这些。

没有它，好多工作可都不好开展呀！
咱再想想，要是没有陀螺寻北仪，那些在野外工作的人该多迷茫啊，就像在茫茫大海中没有了灯塔。

但有了它，就像是有了一盏明灯，指引着大家前进的方向。

它真的是科技的小奇迹呀！让我们能在复杂的世界里准确地找到方向。

这就是陀螺寻北仪，一个看似简单却无比神奇的东西。

怎么样，是不是对它刮目相看了呢？是不是觉得它特别了不起呢？反正我是这么觉得的！。

寻北仪产品说明书

3.5 表面状况及外观质量
产品外观质量应满足下列要求： a) 表面颜色符合图纸要求各部位色泽均匀一致 b) 外表涂层应无明显的划伤脱落起皮起泡龟裂和锈蚀等疵病 c) 表面的刻字符号标志的着色应均匀清晰牢固 d) 外表面应清洁干净不应有油脂密封胶焊剂等残余物 e)紧固件连接件外露的槽孔棱不应起毛和损伤
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显示方式外形尺寸
液晶显示详见附录
2 使用说明
2.1 安装说明
见图2参考附录将产品正确安装在工作台面上。安装基准面平面度0.05mm用螺钉将产品紧固保证刚性连接。保证产品轴向与系统测试轴向一致。
波特率9600 数据格式1个起始位8个数据位1个停止位无奇偶校验位。数据帧格式
AA 帧字头 HL HH 方位角 SUM 校验和
帧数据共4个字节帧字头十六进制数AA 方位角：双字节，低字节在前，16位原码数据，1bit=0.01º 校验和单字节它是第23字节相加后取低8位的结果
2.3 使用步骤
SDI-151寻北仪产品说明书
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目录
1 SDI-151型寻北仪简介.......................................................3
1.1简介.................................. .................................................3 1.2产品描述............................ ....... ............... .........................3 1.3性能参数和特点...................................................................4

指南针辨别方向的方法

指南针辨别方向的方法指南针是一种用来辨别方向的仪器，它利用地球的磁场来指示方向。

对于户外探险和野外生存来说，掌握这种技能至关重要。

下面将介绍几种使用指南针辨别方向的方法。

1. 查找地图上的真北方向首先需要准备一张地图，然后查找地图上的真北方向。

地图通常会标注一个朝北的箭头，这个箭头指向的就是真北。

如果地图没有标注，可以通过手机上的地图或者使用太阳的位置确定北方向。

罗盘通常是相对于地球上的磁北指向的，要将磁北转换为真北需要使用磁偏角计算公式。

2. 确定自己的方位拿起指南针后，将其水平放置在手掌中，然后将指针（红色）指向北方。

然后观察指南针的方向和自己身体的方向是否一致。

如果指南针指向的方向是东方，那么你的前方就是东方，以此类推。

这种方法对于快速确定自己的方位非常有用。

3. 辨别方向指南针可以帮助你辨别方向，从而找到你想要到达的位置。

拿起指南针后，将其水平放置在手掌中，然后将指针（红色）指向北方。

如果你想去东方，那么就将指南针旋转90度，然后向指针所指方向走。

如果你想去南方，则将指南针旋转180度，然后向指针所指方向走。

要注意的是，在前往目的地的过程中，应该经常检查指南针的方向是否正确，以确保不会偏离正确的路径。

4. 调整指南针如果指南针不指向北方，那么需要进行校准。

可以将指南针旋转360度，然后观察指针指向的方向是否一直是南北方向，如果不是，需要进行手动调整，直到指南针指向真北方向。

总之，使用指南针可以帮助人们快速确定自己的方位和辨别方向，这对于户外探险和野外生存非常有用。

了解指南针的使用方法，可以大大提高人们生存和探险的能力。

四位置寻北算法实现细节

2
2
2
1⎤
1⎥⎥ ⋅ω
1⎥ ie 1⎥⎦
X [1]2 + X [2]2 )
2
2
以 d 和 e 的过程有重叠，但需要在采集加表数据的同时采集存储陀螺数据。 e 位置结束后反向旋转，采集 f，g 和 h 位置陀螺数据。
加表数据采集：a, b, c, d 四位置角度分别为 ρ = 0 + Δ, π + ρ ,π + ρ , 3π + ρ ， Δ 其中为加表轴向和陀螺轴向安装的角度偏差，生产时标
Y =HX
1
11
Y 1
=
⎡ ⎢⎣
f u0
f π u 2
f uπ
[ T
f ⎤， ⎥ u 3π ⎦2
Hale Waihona Puke X= 1sθθ
=
arcsin(X
[1]) ，
φ
=
X [2] arcsin( 1 )
1
cosθ
cθsφ
⎡ − cΔ
a
]， H
⎢ =⎢
sρ 1
ub
1 ⎢ cρ
⎢⎣−
2
sρ 3
sΔ
cρ 1
− sρ 2
− cρ 3
1⎤
1⎥⎥ ⋅ g 1⎥ 1⎥⎦
Y =H X
2
22
[ ] Y 2
=
ω⎡
⎢⎣ x3π 2
ω xπ
ω xπ 2
ω
x
0
⎤ ⎥⎦
T
，
X 2
=
cΛcψ
cΛsψ
sΛ ω xb
⎡
sρ cθ 3
− cρ sφsθ 3
H
=

摆式寻北仪摆动积分寻北

摆式陀螺寻北仪分段积分寻北法（1985.10.）内容提要提出以三个连续的半周期积分寻北法或者三个连续的1/4周期积分寻北法，代替整周期寻北方法。

新的寻北测量方法可以自动（部分地）补偿积分定时误差和摆动阻尼衰减作用及测量过程中悬挂零位的等速漂移所造成的寻北误差。

在采用三段1/4周期积分法时还可以减少1/4周期的寻北测量时间。

1周期积分寻北法及其特点尽管摆式陀螺寻北仪的寻北测量方法有多种多样，但是其最终目的均是为了测定陀螺摆动的摆动平衡位置。

摆动积分测量法是通过积分测定其摆动平衡位置的一种方法。

摆式陀螺寻北仪完整周期的自动积分测量法是德国人于1977年提出并成功地用于MW77和1990年用于GYROMAT-2000高精度自动陀螺寻北仪。

其方法的基本原理是：在一个理想的正弦摆动测量系统中，对摆动测量值进行一个完整周期积分，其积分面积的平均值即为摆动的平衡位置。

假设陀螺房摆动平衡位置即积分起始点陀螺H 轴偏北角即：⎰⎪⎭⎫⎝⎛+=Tdt t T A T S 02sin 1απ （1）式中T 为摆动周期S 为积分面积α A 摆动幅度不难看出，由于在完整积分周期的条件下，正弦摆动分量的平均值总是为0。

积分的周期平均值即为摆动平衡位置，而测量结果与测量的起始点和摆动幅度无关。

由于积分测量过程可以有效的滤除各种高频干扰从而大大提了高寻北测量的精度。

上述积分测量方法存在某些缺点，例如：a.由于积分时间必须为完整的摆动周期，因此寻北时间受摆动周期的限制；b.当积分定时存在误差时将影响寻北精度；c.摆动过程存在不可避免的阻尼衰减作用也将造成寻北误差，阻尼系数越大，摆动周期越短，产生的寻北误差也越大。

摆动阻尼来自陀螺房周围的空气粘滞力和悬带材料的扭转内损耗。

除去在内阻尼衰减之外,积分过程中的低速零位变化对寻北精度的影响也将被减小.d.由于积分测量过程是悬带受扭条件下进行的，因此在计算北向时必须输入纬度值，此纬度输入值还用来计算测量地点的陀螺摆动周期即积分定时时间，因此纬度输入误差将造成定时误差；e.在初始偏北角过大时必须进行粗寻北。

摆式陀螺寻北仪步进寻北原理

文献1只对步进寻北方法的操作作了简单说明，而文献2只给出了大刚度悬带条件下即扭力比K1的步进寻北过程曲线.均未提到K1条件下寻北测量方法、初始偏北角与步进次数的关系及理论真北的计算方法，也没有给出具有明显物理意义的寻北运动方程。
本文对其寻北过程的本质作了明确的解释，从简单的物理过程出发推导了包括K1在内的各关系式，其正确性已通过大量试验进行了证明，并成功地用于TJ－76和TDJ—83（西安101厂生产，目前可能已经改型了）陀螺经纬仪。
由于上述步进过程摆系统的总机械能变小，所以新的摆动将有更小的的摆动幅度。再经过半个周期,又达到下一个逆转点A2，此时的偏北角为：
当给定允许的剩余偏北角N时，对应于不同的初始偏北角1，则可计算出所需最少的步进次数i.因为
则当K1时有
由于步进次数i只能取正整数，所以实际的步进次数应该取大即可。
7。步进寻北方法的特点
与传统的逆转点跟踪测量方法相比，步进寻北方法有如下特点：
a.寻北测量时间短这是因为测量是在悬带受扭条件下进行的，而陀螺摆的受扭周期总是比统的逆转点跟踪测量的不受扭周期短；步进寻北测量一般只需2～3个受扭摆动周期即可完成，而传统的逆转点跟踪测量需要3～4个不受扭周期。
当K1时，每次步进跟踪后的剩余偏北角总是与前次的剩余偏北角分别处于真北的两侧.此时(12)式应该改写为：
而(13）式为:
应该指出的是,步进寻北过程是通过不断消除悬带扭力势能达到逐步减小摆动系统总的机械能的目的。这是一种特殊的无阻尼衰减过程.与一般的阻尼衰减过程的根本区别在于：这个过程不仅摆幅快速衰减而且悬带零位也同时逼近北向，因而是摆幅衰减和寻北运动的合成运动过程。
从理论上讲采用1/(2N)周期步进寻北是可能的.
9。步进寻北法的受扭角
限制悬带受扭角是保证悬挂零位稳定性的重要措施之一。而减小受扭角又与扩大初始偏北角、减少步进次数等要求相互矛盾。

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22.2.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。

陀螺寻北仪二位置寻北方案

Ｗｉｈｅｐｏａｔａｅｃｍｐｎｎｓｓｎｅｙｇｒｓｏｅａｏａｉｔｓｗｉｈｅｄｆｅｅｃｔｔｅｈｌｆｅｒｒｔｏｏｅｔｅｓｄｂｙｏｃｐｔｈｈｗｔｚｍｕｈｔａｐａｉｒｎｅｈｓ
已经成功的应用于我所研制的ＣＮ系列寻北仪中。实践证明：对于双轴陀螺采用二位置寻北方Ｆ案易于实现，精度较高。关键词：寻北仪；二位置；陀螺文献标识码：Ａ中国分类号：Ｕ６６１６．２
Ｔｏ— ｓｔｏｔｃｉｇＳｈｍｅｆｒＧｙｏ— ｓｄＮｏｔｅｋｒｗ－ＰｏｉｉｎＤｅｅｔｎｃｅｏｒ－ＢａｅｒｈＳｅｅ
（川压电与声光技术研究所，重庆４０６）四０００
摘要：讨论了挠性陀螺寻北仪二位置寻北方案。二位置寻北方案是利用陀螺仪敏感在相差１￣８０的两个方向上的地球自角速率分量，准确解算出地理真北方向与陀螺轴向的交角，从而实现转寻北的方案。该方案利用转位对消了陀螺的常值漂移，因此，大大降低了对陀螺精度的要求，
维普资讯
第１Ｏ卷第３期
・
中国惯性技术学报
２００２年６月
仪表研究与设计・
文章编号：１０ — ７４２０）３０４ — ４０５６３（０２０ — ０６０
陀螺寻北仪二位置寻北方案
卜继军，魏贵玲，李勇建，吕志清
ｏ０，ｔｅｉｔｒｅｔｇａｇｅｂｔｅｎｇｏｒｐｉｒｅｎｒｄｒｆｒｎｅａｉｆｇｒａｅｆ１。８ｈｎｅｓｃｉｎｎｌｅｗｅｅｇａｈｃｔｕｏｔａｅｅｅｃｘｓｏｏＣｂｈｎｙｎｃｌｕａｅ，ｔｕｈｏｔｓａｃｒｔｌｏａｅ．ＩｈｓｓｈｍｅｔｅｃｎｔｎｒｆｉｃｃｌｄｂａｃｌｔｄｈｓｔｅｎｒｈｉｃｕａｅｙｌｃｔｄｎｔｉｃｅｏｓａｔｄｉｔｓａｅｌｙｈｎｅｐｓｔｎｒｓｏｍａｉｎＭｅｗｈｌ，ｗｈｃｒｓｎｌｓｓｒｇｎｒｑｉｍｅｔｎｃｕａｙｆｏｉｏｔｉｎａｆｒｔｏ．ｎａｉｅｉｈｐｅｅｔｅｓｔｉｅｔｅｕｒｓｎｅｎｏａｃｒｃｏｇｏｃｐ．ＴｈｓｓｈｍｅｈｅｎａｐｉｄｔＮｅｉｓｏｏｔｅｋｒｅｅｏｅｙＳｃｕｒｙｓｏｅｉｃｅａｂｅｐｌｏＣＦｓｒｅｆｎｒｈｓｅｅｓｄｖｌｐｄｂｉｈａｓｅｎＩｓｉｔｆＰｉｚｅｅｔｃｄＡｃｕｔｏｔｓＴｃｏｏｙｎｄｓｏａｉｈｒａｃｒｃａｅｎｔｅｏｅｏｌｃｒｓａｏｓｏｐｉｅｈｌｇ，ａｈｗｓｔｔｈｇｅｃｕａｙＣｕｔｉｎｃｎｈｎｂｏｔｉｅｙａｏｔｇｔｏｐｓｔｎｄｔｃｉｇｓｈｍｅｂｅｎｄｕｌ — ｉｙｏｂａｎｄｂｄｐｉｎｗ — ｏｉｏｅｅｔｃｅａｄｏｏｂｅａｓｒ．ｉｎｓｘｇＫｅｒｓｎｒｈｓｅｅ；ｏｐｓｔｎｇｒｓｏｅｙｗｏｄ：ｏｔｅｋｒｔ — ｏｉｏ；ｏｃｐｗｉｙ

工程测量概论-孙现申21陀螺经纬仪及其寻北原理-2h

陀螺经纬仪概述
陀螺经纬仪发展
•陀螺经纬仪的发展方向是高精度、可靠、快速与轻便。
•在高精度定向方面,除了在数据处理中研究更精确的数学模型外,更实质的问题是提高陀螺转子的稳定度和可靠性。
•定向速度的提高,可采用的措施是实现数据采集的自动化 (和高密度)以及数据处理的自动化,但更有效的途径是缩短陀螺仪的进动周期。
TA0
cos
TA0 2π
H
M GE
摆式陀螺寻北原理
•摆式陀螺仪的运动方程
同理可得与上式合并
0
( m ax
0 ) cos
2π TA
(t
t0 )
2
A
m
ax
0
0
2
1
子午面
A
max
西
水平面
摆式陀螺轴的进动轨迹
0
东
摆式陀螺仪寻北原理
内容回顾
陀螺仪基本特性
Mx
Jx
dx
dt
y H z
zH y
dH M dt
摆式陀螺寻北原理
•陀螺仪的基本特性 dH M 当M // H时， dt
dH M dt
也即
J d M
dt
刚体的转动规律
当M H 时，M不影响H的大小，而是改变其方向。
(ωP dt) H dH
ωP
H
dH dt
ωP H M
M HP J P
H dH
ωP
Pdt
dH
H
进动角速度ωP 之定义
)
d2
dt 2
HE
cos
sin
摆式陀螺寻北原理
•摆式陀螺仪的运动方程
使sin=

“无障碍”方位传递方法设想

全天候无障碍方位传递方法1.前言对于野外远距离方位瞄准，特别是多瞄目标例如炮群的瞄准系统，通常由寻北仪和光学或光-电方位传递装置组成。

寻北仪完成北向基准的测定而光-电方位传递装置将寻北仪测得的北向基准向各被瞄设备传递。

光-电方位传递装置通常由两部分组成：寻北仪上的光电发射器和被瞄设备上的接收器（例如光电周视镜）。

方位传递过程首先需要将接收器的光轴对准寻北仪的中心标志，可称为“对标”，然后等待接收光电发射器发送的代表基准方位的光束信号并且解读接收到光束信号时刻的光束方位角即完成了方位传递过程。

光-电方位传递方法具有无可争议的高精度和“快速性”，特别是与被瞄目标的多少无关。

但是也存在一些限制条件，其中一些限制条件在战场上几乎是致命的缺陷。

（a）通视条件光-电方位传递方法基于光线的直线传播原理，因此发射器与接收器之间“通视”是光-电方位传递方法的必要条件之一，在某些情况下不一定满足。

应该说明的是，所述“通视”条件并不要求是“通行”的，也就是说，在满足通视条件的情况下，接收器可以设置在人所不能到达位置。

（b）野外天气条件在大雾、大雨、大雪和沙尘的野外条件下能见度降低而且光束出现散射，光-电信号被衰减并且产生畸变；暴晒条件下，寻北仪和光电发射器不能均匀受热而产生非对称变形而造成寻北误差和调平误差。

在大风条件下寻北仪难以进行正常的寻北测量，光电发射器架设的稳定性受到干扰，如果设置风屏则造成通视障碍；（c）工作距离工作距大，光信号发散，信号强度降低，光电接收器无法有效接受光电发射器发送的信号。

因此希望工作距离尽可能近；（d）高程差光-电方位传递方法是基于光学水平测角原理，因此在某些情况下，发射器与接收器之间的距离虽然很近而且通视但是两者的高程差（斜距）过大，也即水平测角过程中仰角过大，将造成过大的方位传递误差或者根本无法进行方位传递；（e）人工操作除去寻北仪和光电发射器的架设和调平需操作手要现场操作之外，被瞄设备上的光电接收器也需要操作手进行人工调平和“对标”，这在紧张的作战条件下容易造成人为错误；（f）暴露时间长寻北和方位传递设备的架设、操作和撤收过程需要在无遮挡条件下进行，造成长时间暴露。

一种单轴寻北仪的误差标定方法

一种单轴寻北仪的误差标定方法说实话一种单轴寻北仪的误差标定方法这事，我一开始也是瞎摸索。

我就觉得这单轴寻北仪在实际使用的时候，误差要是不标定好那就是个大问题。

我刚开始呢，以为这个误差标定就是简单地测几次数据然后求个平均值就行了。

我就那寻北仪朝着一个方向放着，然后测了好几次北偏角的数据。

可是结果出来后根本不行啊，偏差大得离谱。

这才意识到，原来它受到的影响因素比我想的要多得多。

后来我又想到，是不是环境的磁场对它有干扰啊。

我就各种找干扰源，就像你在一个乱乱的房间里找钥匙一样费劲。

我把周围可能带磁的东西挪开，再次测量。

可还是有误差，虽然比之前小了一些，但还达不到理想的数值。

经过这一通折腾，我才发现，这个单轴寻北仪的误差标定，在考虑环境磁场的同时，设备自身的温度等因素也得考虑。

我就开始做不同温度下的测试，我把寻北仪放在不同温度环境下，就像把人放在冷热不同的屋子里去看他的反应一样，高温、低温、常温都测试了好多遍。

结果发现温度对寻北仪的影响还真不小。

这个时候我就想，要是能够建立一个补偿的系数就好了。

我试过的一种方法是，慢慢调整一些预设的参数，每调整一次就测量一次，记下这个时候的数据和参数的关系。

这个过程既繁琐又要特别有耐心，就像在穿一串特别小的珠子一样，不小心就会出错。

比如说有时候不小心把参数调整得太大或者太小，就要重新来。

还有啊，这个仪器的摆放姿态说不定也会影响误差呢。

我又尝试不同的摆放方式，平放、倾斜一定角度放等。

然后在每种摆放姿态下做很多次的测量。

这里我觉得很重要的一点就是，每一步都要记录下所有的情况。

比如说温度数值、摆放角度、测量出的数据等等。

就像记账一样，你得把每一笔收支都写清楚，这样才能分析出到底哪个因素在哪个情况下对误差的影响有多大，才能慢慢摸索出一套准确的误差标定方法。

不确定的是，不知道有没有一些我还没发现的影响因素，但就目前而言，按照这样去做，误差标定已经有了比较好的结果。

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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。

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。

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。