光纤陀螺寻北仪技术说明书

20 0
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.
4- φ5.5 4-30 ×50
190
图2
6. 使用和维护
a) b) c) 寻北仪在运输过程和安装过程中应轻拿轻放，严禁冲击。 寻北过程中应保持载体绝对静止，否则将影响寻北精度。 载体纵向和横向倾角应不大于±3°，否则将影响寻北精度。
1.3 台体倾斜状态下平台系统寻北的基本原理 当台体水平倾斜时，解析寻北测量就需要进行多次投影计算，在获得地速水平投影分量的同时，还 要考虑消除地速垂直投影分量。 为此需建立三个坐标系：一个是地理坐标系 X0Y0Z0，原点设在载体质心在地球表面的投影点，Y0 、 X0 在当地水平面内，其方向分别水平指北和水平指东，Z0 轴沿地心与水平面垂直并指向天顶；一个是载 体坐标系 X3Y3Z3，其原点定义在载体质量中心，Y3 轴与载体纵轴重合指向首部，X3 轴与载体横轴重合指 向右侧，Z3 轴垂直于 X3、Y3 指向上方，组成右手直角坐标系；另一个是平台坐标系 X4Y4Z4，为寻北测 量时方位转动形成的测量坐标系，亦为描述载体姿态的坐标系，我们把 X4 和 Y4 轴定义在平台平面内， Z4 轴垂直于平台平面，也构成右手直角坐标系。 在设备正常工作时，平台坐标系与地理坐标系重合或平行，Y4 轴模拟地理坐标系水平指北轴 Y0，X4 轴模拟地理坐标系水平指东轴 X0， Z4 轴模拟天顶轴 Z0， 这样测量坐标系 X4Y4Z4 就与地理坐标系统 X0Y0Z0 建立了对应的模拟关系。 要完成地理坐标系到载体坐标系的投影计算， 引入计算坐标系 X1Y1Z1 及 X2Y2Z2， 坐标转换过程可通过绕坐标轴作三次旋转得到，首先载体绕 Z0 轴转动 K，即载体处于水平状态纵轴线和 北向间有一夹角 K （顺时针为正） ， 然后考虑载体绕 X1 轴转动角 ， 即载体纵轴线与水平面有一夹角 （逆 时针为正），最后考虑载体绕 Y2 轴转动角 ，即载体横轴线与水平面有一夹角 （顺时针为正），即：
0 A0 0 ； g
0 0 e cos sin e
从 X0Y0Z0 到 X3Y3Z3 变换之后，陀螺和加速度计所敏感到的地速和重力分量为：
g sin cos A3 CA0 g sin g cos cos
0 0 1
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.
cos C2 0 sin
C C 2 C 1C 0
0 1 0
sin 0 cos
cos cos K sin sin sin K cos sin K sin cos K sin cos sin K
0 cos sin
sin cos sin cos cos
3 x 3 , y 3 , z 3
写成分量形式为：
x1 x 3 cos z 3 sin
y1 x 3 sin sin y 3 cos z 3 sin cos
1 Kx e cos sin K
台体旋转 90°后则光纤陀螺敏感地球旋转分量为：
2 Kx e cos cos K
式中的 Kx 为陀螺的刻度因数，将以上两式左右相除，则有陀螺轴的偏角为：
K tg 1 Ix / Iy
上式是在假设陀螺本身不存在漂移，刻度因数不变的情况下成立的，但它实际上存在各种漂移量和 系数变化。为了消除常值漂移对寻北的影响，最简单的方法是将转台旋转四个位置（每个位置相关 90°）之 后，对陀螺再次采样。对于水平状态，初始位置测量值为：
（7）
3 C0
cos sin K sin sin cos K e cos e sin cos sin e cos cos K cos e sin sin sin sin K sin cos cos K e cos cos cos e sin
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Sc（9）、（10）两式中的 x1 , y1 用 x 3 , y 3 表示，必须再进行变换：
1 C 31 * 3
C31=C1*C2
cos C 31 sin sin sin cos
式中：
（11） （12）
z 3 e x3 y3
2 2

2

1
2
、 是可以从加速度计的多位置测量值中得到。将（11）、（12）式代入（9）式，便可得到载体
与子午线的夹角 K。
4. 结构特征
寻北仪主要由一个光纤陀螺仪和双轴加速度计及转位机械组成。 要实现寻北需对陀螺仪进行四个位置的转位，每两个位置相差 90°，转位精度直接影响到寻北仪的 精度，在设计时采用单片机控制步进电机实现转位，对步进电机转位实行 128 位的细分，从而保证转位精 度。 结构设计时充分考滤技术要求中的防水要求，产品为全密封结构形式，接插件选用防水型，盖子与底 座用密封橡圈实现防水要求。、 在结构设计时充分考滤体积小、重量轻的要求，结构设计时对旋转体采用对称结构，保证了结构长时 间后变形对寻北精度的要求。
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd. N
X1 e cos sinK
e cos
Y1
cosK

E
X 1 e cos sin K Y 1 e cos cos K
图 1 地球自转角速度的分解 1.2 台体水平状态下的陀螺寻北原理 平台系统所选的陀螺为单轴光纤陀螺，它有两个正交的输入轴 X 轴和 Y 轴，并对应两个输出轴，转 子轴为 Z 轴。为了消除垂直分量的影响，总是希望陀螺工作的 X、Y 轴处于水平面内（或尽可能接近水平 状态），此时，两轴所敏感到的地速水平分量与其寻北夹角有关。系统中陀螺对角速度的测量实际上是 通过测量两轴伺服回路加到陀螺力矩器上的电流来完成的，即：
K X 0Y0 Z 0 X 1Y1Z1 X 2Y2 Z 2 X 3Y3 Z 3
变换式为：
cos K C 0 sin K 0
1 C1 0 0 0 cos sin
sin K cos K 0
0 sin cos
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd. 其外形图如下：
210
安装基准面
安装基 准面
185± 0.1
16 8
190± 0. 1
4-φ 5. 5
5. 安装和调整
面对寻北仪箭头，其安装底板左右两边为为安装基准面，将基准面对准载体的安装首尾线，用四个 M4 螺钉将寻北仪固定在载体上的安装基准平台上即可。载体上的安装基准平台四个安装凸台平等度应不大于 5′。寻北仪安装图见图 2。
（8）
由于欲求方位角 K 是在 X 1Y1 Z 1 坐标系中定义的，因此有：
K arctg
x1 y1
（9 ）
K 是定义为顺时针为正， 且在 0°至 360°之间， 因而尚须根据 x1 和 y1 的极性来判定 K 所处的象限， 最后求出真北方位角 K。
arcCOS
2 x1
7. 产品成套
产品配套如下： a) b) c) d) e) 寻北仪 1 套； XCE124T19K1P1 插头 1 只； 使用维护说明书 1 份； 技术说明书 1 份； 合格证 1 份；
185
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd. f) 使用履历薄 1 份。
1 Kx e cos sin K
2 Ky e cos cos K
（1） （2） （3） （4）
3 Kx e cos sin K
4 Ky e cos cos K
（1）式减（3）式：
1 3 2 Kx e cos sin K
m) 准备时间：≤ 1min； n) o) p) q) 重量：≤8kg； 工作温度： -40℃～+65℃； 存贮温度： -50℃～+65℃； 冲击：3g，8ms～11ms。
3. 工作原理
寻北仪主要由一个两自由度的挠性陀螺仪和双轴加速度计及转位机械组成。 3.1 地球自转角速度的分解 地球自转角速度ωe（15°/h）矢量平行地轴线，北向为正。在地球表面上任意一点 P，该处的自转 角速度ωe 可以被分解为垂直分量ωe sin 和水平分量ωe cos ， 为 P 点的纬度值，真北方位角是指地 球自转角速度沿子午线的水平分量所指示的方向,也可视为车体的航向角 K，则：
2. 技术参数
a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) 供电电源：DC24V±20%； 功率：≤30W； 工作方式：静态； 工作纬度：± 60°； 水平测量范围：± 15°（寻北时允许倾角±3°）； 水平测量输出漂移：≤5′（0.5hr）； 方位测量精度：≤ 0.06°（ 1σ）； 重复精度：≤ 0.05°（1σ）； 圆周线性度：≤ 0.1°（ 1σ）； 方位测量范围： 0°～ 360°； 方位角分辨率： 0.01°； 寻北时间：≤ 3min；
光纤陀螺寻北仪
技术说明书
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.
1. 概述
光纤陀螺寻北仪主要用于快速自主确定真北方向。通过高精度光纤陀螺跟踪获取地球自转角速度，将 地球自转角速度信号进行分解解算，计算出陀螺主轴与地球真北向的夹角，为载体提供方位信息。 光纤陀螺寻北仪为机电一体产品，它由一个光纤陀螺仪、加速度计、机械转动控制装置和嵌入式计算 机组成。
（2）式减（4）式：
（5）
北京七维航测科技股份有限公司
Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.
2 4 2 Ky e cos cos K
（5）式除以（6）式： 则：
（6）
tgK
1 3 2 4 1 3 K tg 1 2 4
y1
2

1
2
e
（10）
实际测量值是在 X 3Y3 Z 3 坐标系中得到的。由（7）和（8）式可得：
x 3 cos sin K sin sin cos K e cos e sin cos sin y 3 e cos cos K cos sin sin
cos sin K sin sin cos K cos cos K sin sin K sin cos cos K
sin cos sin cos cos
其中 、 为载体相对水平面的倾角，用加速度计可测得。 在 X0Y0Z0 坐标系中，各轴的重力分量和地速分量分别为：