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光纤陀螺寻北仪原理和应用

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)
◆ 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。
    光纤陀螺寻北仪是一种自主指示方位的高精度惯性仪器,它能够在不输入纬度值的情况下,给出载体与真北方向的夹角。利用光纤陀螺仪测得的地球自转角速率值及加速度计测得的陀螺仪与水平面夹角,经过计算机解算可以得到载体的基线与真北方向的夹角,放置于基线上的加速度计可以测出寻北仪的姿态角。
    光纤陀螺寻北仪所使用的光纤陀螺是固态器件,没有转动部分,因此能够耐冲击、抗振动。这是其它非光纤类陀螺无法做到的。本文主要介绍光纤陀螺仪在寻北仪中的应用。
光纤陀螺寻北仪原理
    光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope, FOG)是基于Sagnac效应的新型全固态陀螺仪,是一种无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。

    在基于光纤陀螺的寻北应用中,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,将光纤陀螺置于动基座上,动基座平面平行于水平面,光纤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。假设光纤陀螺敏感轴的初始方向与真北方向的夹角为α。陀螺在位置1 的输出值为ω1;然后转动基座90°,在2位置测得陀螺的输出值为ω2。依次再转动两次90°,分别转到3和4的位置,得到角速度ω3和ω4。


图1  陀螺寻北示意图

    通过ω1、ω2、ω3、ω4可以计算出航向角,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。如果测量地点的纬度为已知值,那么可以只需测量1和3(或者2和4)两个位置便可以求出航向角。

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