(整理)摆式陀螺寻北仪力矩器和力矩测量

摆式陀螺寻北仪的力矩测量方法和

力矩器设计问题

2000.01.03.

声明

以下大部分是本人观点，可能是错误的！

1摆式陀螺寻北仪及其力反馈测量

悬挂摆式陀螺寻北仪是目前使用最广的一种陀螺寻北系统。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加速度水平分量的陀螺摆。在地球自转运动的作用下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（严格说应该是在子午面

内）。

可以有许多不同的方法测得这个平衡位置，如逆转点方法（最原始的方法）、

时差方法、周期积分法（十五所转给测绘所的方法）、循环阻尼方法（目前十五

所在研陀螺经纬仪使用的方法）和力反馈回路测量方法等等。

为了加快寻北过程和提高寻北精度,国外新一代摆式寻北仪普遍采用了加

矩控制和力矩测量（即力反馈）技术.

与ALINE 寻北仪使用的H 轴慢速北向逼近方法不同，力反馈寻北测量方法

不是使H 轴逼近北而是在力反馈回路控制之下使H 轴停留在粗寻北结束时的偏北

位置上，在此位置上测量出用以平衡陀螺指北的力矩值并根据测量值推算偏北角

以此加快精寻北过程。此时不存在循环逼近方法中存在的剩余死区。

所谓力反馈回路，是通过一个力矩伺服控制回路控制的力矩器为陀螺施加

与陀螺指北力矩相互平衡的力矩，力矩器的控制电流正比于平衡力矩的大小。因

此陀螺指北力矩的测量被转化为力矩器控制电流的测量。

也可以说此时将原来的自由陀螺陀螺（或称位置陀螺）变

成速率陀螺了。

为了滤除随机干扰，通常经过对力矩电流进行积分或者数字滤波处理获得

平均电流值。在忽略H 轴的微小倾角和干扰力矩的情况下可得到简化力矩平衡方

程:

N

e T T T H I K M idt T K M αλωsin cos 110

1⋅=⋅=⋅=⎰ (1) 式中K T 为力矩器系数。

当N α为小角度时,上式可改写为

N e T H I K M αλω⋅⋅≈⋅=cos 1 (2)

为了满足N α为小角度的要求,需要进行粗寻北,具体方法不再说明.

这里不加证明地假设力反馈系统沿垂直轴方向所加的平衡力矩与沿陀螺水

平输入轴所加的平衡力矩是等效。

由于存在结构仪器常数0α∆和零偏力矩0M ，则陀螺寻北仪的输出轴或者陀

螺经纬仪上的仪望远镜视准轴方向（度盘读数）与真北的夹角(读出北向)为

()M N N αααααα∆+∆+=∆+=01

011αα∆+=J N

00αλωα∆+⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=COS H M e N (3)

这里

N α为陀螺H 轴与北向（确切地说是陀螺H 轴的水平投影与北向）的夹角；

0α∆是简单的机械结构常数,不参与力平衡计算也与纬度无关；

M α∆是零偏力矩的换算角度, 其形成过程十分复杂，参与力平衡计算并且

与纬度有关;对于挠性陀螺,零偏力矩相当于常值漂移的平衡力矩.虽然

0α∆和M α∆都以常数出现但具有本质区别. 为了消除仪器常数,两者必

须同时消除.

1j N 为计算北向,通过速率测量值和罗盘系数计算的结果:

+=N j N α1M α∆

1α为读出北向。由于未知结构常数的存在,测量者只能得到读出北向.

这里没有考虑陀螺摆的零位偏置（即在普通陀螺中的常值干扰力矩产生的所

谓常值漂移）是因为在摆式寻北仪中全部常值干扰力矩均被折算为仪器常数。

应该说明的是，目前十五所陀螺经纬仪使用的循环阻尼寻北方法来自美国

ALINE 寻北仪。其原来的寻北过程（初始架设的偏北角为±40°,寻北时间为

12min ，寻北精度为40",实测精度均在10"之内）是在循环阻尼完成粗寻北之后

还要转为低速逼近的精寻北过程。由于低速逼近是一个缓慢积分判断过程，难以

满足目前快速性的要求所以在研制时舍去了精寻北过程而将粗寻北当做精寻北

使用。这可能是造成寻北精度不稳定的原因之一。

2力矩器

为了实现力反馈寻北，力矩器和加矩控制回路就成为寻北仪中的重要组成部

分.

2.1.力矩器的主要作用

根据本人所见到的有关资料，可将摆式陀螺寻北仪中力矩器的主要作用分类

如下：

a.对摆的运动状态进行控制,如在摆开锁后通常出现较大的扰动,可通过加矩

控制使摆动快速稳定下来。实际上是一种有源阻尼。此功能通常决定了力矩

器的最大加矩能力。由于陀螺摆方位摆动的等效转动惯量极大，在大幅度摆

动时需要极大的控制力矩因此此项任务实际上是难以实现的。

b.在精确寻北时,通过检测(力反馈)加矩电流来推算偏北角。此功能通常决定

了力矩器的最小加矩能力和精度。

c.对摆施加比例于摆动速度的力矩完成有源速度阻尼控制。

d.通过加矩控制使摆按某种特殊要求(如等速)运动。

e.通过施加恒定加矩来平衡摆系统的某些偏置力矩，即零偏补偿。

f.通过力矩器加矩,改变等效摆长以减小摆动周期来加快寻北过程。

2.2.摆系统中力矩器的特点

除去用于改变摆长的力矩器之外,其他几种功能的力矩器均是绕铅垂方向