CN104655123B - 一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法，该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地球自转角速度。该方法的具体步骤为：安置仪器、输入起始条件、三轴正交光纤陀螺测定角速率值、地球自转角速度解算：由此可计算出该测站点光纤陀螺X测出的地球自转角速度ω_Xe，同理光纤陀螺Y、光纤陀螺Z均可解算出相应的地球自转的角速度分量ω_Ye、ω_Ze，最后将求解出三者的矢量和：即可得到最终的地球自转角速度ω_e。

Description

一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法

技术领域

本发明属于天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航技术、大地测量学领域，可以用于航空、航天、人造卫星精密定轨、深空探测、全球板块运动监测研究等领域，提供一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法。

背景技术

由于地球外部的不同天体和地球内部物理机制的影响，导致地球的自转过程是不稳定的，通常以地球自转参数来描述地球的自转状态，包括极移和日长变化，其中极移是地球自转轴相对于地壳的运动。地极移动后，地面测站的经纬度及方位角皆会随之而发生变化，我们可以通过测站上纬度观测值的变化来推导极移的变化。因此，准确地测量纬度的变化对于航空、航天、地球物理学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。

从上世纪70年代以来，人们开始采用空间大地测量技术精确监测地球自转的变化，包括甚长基线干涉测量技术VLBI、人造卫星激光测距技术SLR、月球激光测距技术LLR、星基多普勒无线电定位技术DORIS、全球卫星定位技术GNSS等。而这些技术具有如下共同特点：

第一，观测系统庞大，系统建设十分复杂，所需设备昂贵；

第二，需要大范围的地空联测，且观测周期较长，获取的数据量有限；

第三，在成果获取方面，需要较长的数据处理时间，且成果计算十分复杂。

现阶段还有一种利用机械陀螺仪测定地球自转参数的技术，这种测定方法，虽然大大缩短了观测的时间，但机械陀螺容易受到风力、震动、温度等因素的影响，从而影响测定地球自转参数的精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种测量精度更好的测量方法来测定地球自转角速度。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法，该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地球自转角速度。

该方法的具体步骤为：

步骤一，安置仪器：在一条已知测线的其中一个测站点安置光纤陀螺仪，另一测站点安置反射棱镜，打开光纤陀螺仪，用光纤陀螺仪的照准系统精确瞄准反射棱镜。

步骤二，输入起始条件：输入测站点的纬度值，所瞄准测线的真北方位角，光纤陀螺的标定因数值k；

其中，α可由已知点坐标计算得出，k值在仪器出厂时由生产厂家测定一般为默认固定值；

步骤三，三轴正交光纤陀螺测定角速率值：启动光纤陀螺，光纤陀螺X依次在四个转盘位置0°、90°、180°、270°进行角速率值采样，得到对应的角速率值

步骤四，地球自转角速度解算：采集到的角速率值与地球自转角速度分量ω_Xe的关系可表示为如下方程组：：

其中：ω₀为陀螺常值漂移，解此方程组得：

由此可计算出该测站点光纤陀螺X测出的地球自转角速度ω_Xe，同理光纤陀螺Y、光纤陀螺Z均可解算出相应的地球自转的角速度分量ω_Ye、ω_Ze，最后将求解出三者的矢量和：

即可得到最终的地球自转角速度ω_e。

本发明提供了一种利用三轴正交的光纤陀螺测定地球自转参数的方法，可根据光纤陀螺敏感地球自转运动的原理获取地面上某一点的地球自转参数。采用发明的仪器获取地球自转参数可达到如下工作效果：

(Ⅰ)观测的周期较短，可获取海量观测数据；

(Ⅱ)解算方法简便，数据处理时间短；

(Ⅲ)采用正交光纤陀螺进行倾斜补偿改正，不易受外界环境干扰，提高解算的地球自转参数精度；

(Ⅳ)不需要大范围地空联测，可以独立获取自求自转参数，为实现对地球自转参数的动态变化监测提供可能性。

附图说明

图1为光纤陀螺Sagnac效应原理图。

图2为光纤陀螺测定地理纬度原理图。

图3为本发明的光纤陀螺地球自转参数测量仪基本系统结构示意图。

图4为本发明的光纤陀螺地球自转参数测量仪内部结构示意图。

图5为本发明的三轴正交光纤陀螺结构示意图。

图6为本发明的光纤陀螺地球自转参数测量仪工作程序流程图。

图3中各标号含义：001照准系统；002陀螺仪外壳；003光纤陀螺元件；004水平转盘；005旋转电机系统；006陀螺仪测角系统；007调平装置；008激光对中系统。

图4中各标号含义：1、照准系统；2、水平旋转部；3、通讯接口；4、连接盘；5、陀螺仪水准管；6、外壳；7、三轴正交光纤陀螺；8、温度控制及补偿装置；9、加速度计；10、水平托盘；11、旋转电机；12、电子转子；13、旋转电机涡轮；14、步进电机；15、步进电机齿轮；16、旋转定位装置；17、驱动电机旋转轴；18、滚动轴承；19、电源电缆接口；20、电子测角装置；21、光栅码盘；22、脚螺旋；23、基座；24、激光发射器；25、下对中通光孔。

所述的光纤陀螺地球自转参数测量仪即为光纤陀螺仪。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

光纤陀螺的主要优点是：

第一，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速运动的能力强；

第二，结构简单，体积小，重量轻；

第三，启动时间极短；信号稳定可靠，可直接用数字输出，并与计算机接口联接。

鉴于目前对高精度、高分辨率地理纬度值需求日益提高的情况，针对目前采用的测量地理纬度技术的缺陷或不足，本发明提出一种基于光纤陀螺技术的地球自转参数测量仪，该仪器首次尝试利用光纤陀螺原理进行地球自转参数的测定方法，本发明的方法简单易行，不需要大范围的地空联测，可以独立进行地理纬度的测量，受环境干扰较小，且后期数据处理速度较快，可实时监测地理纬度的变化。

三轴一体化光纤陀螺与本发明所使用三轴正交光纤陀螺的区别：

从功能上比较：

三轴一体化光纤陀螺实际上功能与三个独立地单轴光纤陀螺子系统相当，是为了实现对三个正交的空间坐标系的旋转轴角速度或位置进行测量，其目的是要获取三个相互垂直方向的角速率信息。三轴一体化光纤陀螺关注的是惯性系统在空间中三个正交方向上的角速率信息，当三轴一体化光纤陀螺受到振动、倾斜的影响时，敏感到的三个正交方向上的角速度会受到倾斜角度的影响，导致三个方向上敏感到的角速率不准确。现有专利和论文并没有采用三轴一体化光纤陀螺进行倾斜补偿的先例。

本发明所使用的三轴正交光纤陀螺，关注只是三个光纤陀螺在地球自转角速度方向上的速率信息，我们只获取三个光纤陀螺在地球自转轴水平方向的角速度，尽管单个光纤陀螺获取的角速度信息是各自带有倾斜角度的，但根据三个光纤陀螺的敏感轴相互正交的关系，其各自敏感到的角速度信息的矢量和就不再受到倾斜角度的影响，从而达到改正倾斜误差的效果，提高自转参数测定精度。

从结构上比较：

三轴一体化光纤陀螺主要是从节省了元器件、减小体积、降低成本和功耗的角度考虑，为的是减小光纤陀螺系统的尺寸和重量，采用同一个光源和处理电路。

本发明所使用正交光纤陀螺，采用三个线圈敏感轴相互正交的光纤陀螺，为的是消除仪器倾斜引起的解算地球自转的误差。我们不关心三个光纤陀螺结构是否一体化，体积是否比较小，因为相对于陀螺仪壳体，光纤陀螺的重量很小。

从应用领域上比较：

三轴一体化光纤陀螺主要应用于航空、航天、航海、导弹制导等军用领域和地质、石油勘探、惯性系统三维测量等民用领域。

本发明所使用正交光纤陀螺，主要应用于天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航技术、大地测量学领域，也可以用于航空、航天、人造卫星精密定轨、深空探测、全球板块运动监测研究等领域。

本发明通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪测定纬度的独创性：

光纤陀螺测定地球自转参数技术区别于传统的地球自转参数测定技术，首次将非机械陀螺运用于测定地球自转参数。

采用正交光纤陀螺解决了仪器倾斜误差对解算自转参数的影响。现有三轴一体化光纤陀螺主是用于测定惯性系统在空间坐标系统中三个方向的角速率，目前尚未有论文和发明专利采用三轴光纤陀螺用于解决倾斜误差的先例。

本发明采用的正交光纤陀螺的倾斜改正补偿方法有别于测量领域中常规的多观测量提高测量精度的方法，并非测量领域中常识性误差补偿方法。

由于传统的机械陀螺工作时陀螺轴高速旋转，其陀螺马达轴的位置往复摆动，无法采用正交多轴的办法对仪器的倾斜误差进行补偿。而光纤陀螺属于静态陀螺，光纤陀螺工作时其敏感轴方向不会变化，因此采用正交光纤陀螺可以将整个光纤陀螺系统视作整体，其敏感到的地球自转角速度的分量的矢量和始终不受仪器倾斜的影响。

仪器还采用温度控制和补偿技术、盘位锁定技术、轴承辅助支撑系统等技术进一步提高地球自转参数的精度和可靠性。

本发明的理论依据如下：

光纤陀螺是基于Sagnac效应的光纤传感器，它用光纤代替干涉仪的环状光路，构成光纤Sagnac干涉仪。如图1所示，在同一闭合光路中，光源发出的光束被分束器分成两束特征相等的光，分别从光纤线圈的两端耦合进光纤敏感线圈，以相反的方向进行传播，从光纤线圈两端出来的两束光，再经过分束器而叠加产生干涉，最后汇合到同一探测器。

当光纤线圈处于静止状态时，从光纤线圈两端出来的两束光，光程差为零。而当光纤线圈绕垂直于闭合光路所在平面以角速率相对惯性空间旋转时，由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光走过的光程不同，产生光程差ΔL，光程差ΔL和角速度成正比，可表示为公式1：

ΔL引起的相应的相位差为:

(公式1)

式中，r为光纤线圈半径；L为光纤长度；A为光纤光路所包括的面积；N为光纤线圈匝数；λ为光的波长；c为光在介质中传播速度。

公式1是光纤陀螺的基本公式，光纤陀螺出厂时，其光纤线圈半径r、光纤长度L为定值，为光的波长λ以及光在介质中传播速度c为常数。因此，光纤陀螺进行工作时，通过检测相位差Δφ(即干涉光强)的信息就可以获得角速率的信息，如公式2所示：

(公式2)

如图2所示，在光纤陀螺实际工作中，将光纤陀螺固定在转台上，光纤陀螺闭合光路所在平面垂直于转台，转台台面和水平面平行，此时转台上的光纤陀螺处于静止状态，光程差为零。但由于地球自转的影响，在垂直于光纤陀螺方向上有角速度分量，这使得光纤陀螺相对惯性空间发生旋转，光纤线圈两端发出的两束光产生光程差，产生Sagnac效应。通过检测相位差Δφ，可以根据公式4获取地球自转角速度水平分量ω。

根据地球自转角速度水平分量ω、地球自转角速度和纬度值之间的关系可以列出公式3。

(公式3)

其中，ω为光纤陀螺测量出的角速率分量；为纬度；k为光纤陀螺的标定因数；α为光纤陀螺编码器零位(初始方位)与地理北向的夹角；ω_e为平均地球自转角速度；ω₀为陀螺常值漂移；θ为转盘的转角。

光纤陀螺的标定因数k为已知量，ω为光纤陀螺实测值，取平均地球自转角速度ω_e＝7.292115147×10^-5rad/s，光纤陀螺编码器零位与地理北向的夹角可以通过外部测量方法间接获取，因此可以根据(公式4)计算出测站点纬度

(公式4)

若采用多位置法，在不同的转台位置进行光纤陀螺采样，联立方程组计算可以消除光纤陀螺常值漂移ω₀的影响。

如图3以及图4所示，本发明的光纤陀螺地球自转参数测量仪由001照准系统；002陀螺仪外壳；003光纤陀螺元件；004水平转盘；005旋转电机系统；006陀螺仪测角系统；007调平装置；008激光对中系统构成。

其中照准系统001安置于陀螺仪外壳002上方，通过连接盘4连接。光纤陀螺元件003、水平转盘004、旋转电机系统005、陀螺仪测角系统006、激光对中系统008构成陀螺仪系统，其内部元件均安置在陀螺仪外壳002内部，调平装置007安置在陀螺仪底部。

如图4所示，VV轴为光纤陀螺全站仪与其外壳6的中心轴线，HH轴为照准系统1望远镜旋转轴的轴线，V’V’轴为照准系统1望远镜的视准线，三条轴线相互垂直相交于照准系统1望远镜的内部中心点；

H’H’轴为照准系统1水准管的轴线，H’H’轴与HH轴平行且垂直于VV轴；利用外壳6下方的角螺旋22对全站仪进行整平时，若照准系统1水准管中的气泡居中，则表示光纤陀螺地球自转参数测量仪在H’H’的轴向方向上处于水平状态。

照准系统001主要包括上对中支架、望远镜、照准系统测角装置，其中，上对中支架安置在照准系统1顶端，呈门形结构，其中心位置设有上对中标识(位于VV轴上)，可以用垂球法进行上对中；望远镜可以在竖直面内绕HH轴自由旋转，水平面内绕VV轴旋转，用于精确瞄准目标；照准系统测角装置安置在照准系统1下方，利用望远镜瞄准目标，通过照准系统测角装置可以准确测定目标与度盘零刻度之间的水平夹角。

照准系统001通过连接装盘4与下方的陀螺仪系统相连接，形成同基座的一体化结构；陀螺仪系统外部有金属材料制成的陀螺仪外壳002包裹，用于保护陀螺仪内部元件，陀螺仪外壳002上平面安装有陀螺仪水准管5；陀螺仪系统主要由光纤陀螺元件003、水平转盘004、旋转电机系统005、陀螺仪测角系统006、激光对中系统008构成；其中，旋转电机系统005固定在陀螺仪系统中央，其驱动电机旋转轴17位于VV轴上；旋转电机系统005上方固联一水平转盘004，水平转盘004中点位于VV轴上，且水平转盘004平面严格垂直于VV轴；水平转盘004上安装光纤陀螺元件003；旋转电机系统005轴线下方固定陀螺仪测角系统006，陀螺仪测角系统006的光栅码盘21中心过VV轴，且光栅码盘21平面严格垂直于VV轴；陀螺仪系统底部安置激光对中系统008，激光发射器24发射的射线与VV轴重合，穿过下对中通光孔25可以实现仪器的下对中；调平装置007安装在陀螺仪系统底部，用于整平仪器。水平转盘004、旋转电机系统005和陀螺仪测角系统006组成一个共轴式转动系统，陀螺仪工作时，旋转电机系统005为水平转盘004提供动力，带动光纤陀螺元件003和陀螺仪测角系统006绕VV轴在水平方向旋转。

旋转电机系统005由驱动电机11、电机转子12、旋转电机涡轮13、步进电机14、步进电机齿轮15、旋转定位装置16、驱动电机旋转轴17、滚动轴承18、电源电缆接口19构成。其驱动电机11位于陀螺仪系统中心，其平面保持水平；驱动电机旋转轴17与VV轴重合，驱动电机旋转轴17下端采用采用深沟球滚动轴承18作为辅助支撑，提高整个轴系地精度和可靠性；驱动电机11的电机转子12外部安装旋转电机涡轮13，步进电机14安装在驱动电机11旁侧，与驱动电机11相连，步进电机齿轮15与旋转电机涡轮13相咬合；旋转电机涡轮13下端安置有旋转定位装置16，用于锁定旋转电机涡轮13转位；外壳6设有电源电缆接口19，为陀螺仪系统提供电源。

光纤陀螺及其控制元件003包括三轴正交光纤陀螺7、加速度计9以及温度控制及补偿装置8，这些元件均安置在与旋转电机系统005固联的水平托盘10上；其中，三轴正交光纤陀螺7安装在水平托盘10中心，其中两个光纤陀螺敏感线圈轴线与水平托盘10平面平行，并与VV轴正交，另一个光纤陀螺敏感线圈轴线垂直于水平托盘10平面；加速度计9安装在水平托盘10上，其敏感轴与水平托盘10平面平行，且与光纤陀螺输入轴方向正交，用于测量运载体线加速度；水平托盘10上安置有温度控制及补偿装置8，用于对受到温度变化影响的调制相位进行控制和补偿改正，从而提高解算地球自转参数的精度。

陀螺仪测角系统006由光栅码盘21、电子测角装置20组成，光栅码盘21固联在驱动电机旋转轴17下端，可由旋转电机系统004带动绕VV轴旋转；电子测角装置20位于光栅码盘21上方，用于检测主轴回转的角位移量信号。

调平装置007安置在陀螺仪下方，由三个均布的脚螺旋22构成，使用仪器测量地球自转参数时，通过调节三个脚螺旋22可以使陀螺仪水准管5气泡居中，确保整个共轴系统处于水平面。

优化地球自转参数精度技术

为了提高仪器测量出的地球自转参数的精度，本发明采用如下几项技术

(A)转盘倾斜补偿技术

理想状态下，转盘平面与水平面平行，光纤陀螺能在各个方向测量地球角速度水平分量。但由于仪器的调平误差和共轴系统轴系误差，使转盘平面并不严格水平，导致单个光纤陀螺测量到的不再是单独地球角速度的水平分量，而是带有倾斜误差的角速度分量，最终会引起解算地球角速度的偏差。

针对这一问题，本发明提出一种采用三个相互正交的光纤陀螺补偿转盘倾斜误差的方法。用三个相互正交的光纤陀螺解算出来的地球自转参数矢量和代替单个光纤陀螺解算出来的带有倾斜误差的地球自转参数。

如图5所示，在转盘的中心安置三个参数相同的光纤陀螺X、光纤陀螺Y、光纤陀螺Z，三个光纤陀螺的敏感线圈轴线相互正交，三个相互正交的光纤陀螺形成一个独立的系统，无论这个系统如何旋转，三个光纤陀螺敏感到的地球自转参数矢量和始终为最终要解算得到的地球自转参数值。

系统工作时，三个光纤陀螺同时采集数据，解算出每一个光纤陀螺测量到的地球自转角速度分量，三个地球自转角速度分量进行矢量求和，最终解算出地球自转角速度。采用此种办法可以有效的减小由于转盘平面与水平面不严格平行所带来的倾斜误差，提高了光纤陀螺测量地球自转角速度的精度。

(B)温度控制和补偿技术

由于光纤陀螺中采用了大量光学器件，这些的核心部件对温度比较敏感，温度的变化会导致光纤零漂不稳定，从而降低光纤陀螺测量地球自转参数的精度。本发明在光纤陀螺转盘上加入温度控制和补偿系统，使其在实际工作中能够迅速达到热平衡，进入稳定工作状态，同时对受到温度变化影响的调制相位进行补偿改正，从而提高解算地球自转参数的精度。

(C)盘位锁定技术

由于地球自转角速度的解算与转台的转角相关，如果转台的转角不能精确的转动并且锁定在相应的光纤陀螺采样位置，就会使参与解算的转角值与实际转角值存在偏差，从而降低解算地球自转参数的精度。

仪器中采用盘位锁定技术能有效的提高转台的旋转定位精度，从而达到提测定的地球自转参数的目的。当陀螺仪测角系统006通过电子测角装置20检测到主轴回转的光栅码盘21上角位移量信号，系统将角位移量信号传输到旋转电机系统005的旋转定位装置16，将转台转角精确锁定在所需要采样的转台角位置，从而得到精确的转角值，用于解算地球自转参数。

(D)轴承辅助支撑系统

由水平转盘004、旋转电机系统005和陀螺仪测角系统006构成的共轴式转动系统的旋转轴应该严格铅垂，共轴系统的各部件轴系的稳定性对地球自转参数解算的精度有着至关重要的影响。为了提高共轴系统的旋转轴稳定性，本发明在共轴系统中的驱动电机旋转轴17下端采用采用深沟球滚动轴承18作为辅助支撑，以提高整个轴系地精度和可靠性，达到提高地球自转参数测定精度的目的。

本仪器采用多位置法进行数据采集，按照每周期采集光纤陀螺位置数量的不同可以分为二位置法、四位置法和八位置法。为了实现求解地球自转参数任务，下面以四位置法为例对本发明的光纤陀螺地球自转参数测量仪的一次工作过程及原理进行说明。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种光纤陀螺地球自转参数测量仪工作程序流程，如图6所示，包括以下基本步骤：

一、安置仪器：

在一条已知测线的其中一个测站点安置仪器，另一测站点安置一反射棱镜；接通陀螺仪电源，打开激光发射器24开关，移动仪器直至激光发射器24的激光束射向测站点标识；调节脚螺旋22使陀螺仪水准管5气泡居中。反复重复对中和调节脚螺旋22操作，直至仪器精确对中整平。将陀螺仪电缆插入电源电缆接口19，打开外接电源开关，为仪器提供电源；启动陀螺仪，此时陀螺仪测角系统006会自动判断转动系统是否位于光栅码盘21零位，若不在零位，则启动旋转电机系统005带动整个共轴式转动系统绕VV轴转动，直至到达光栅码盘21零位，旋转电机系统005停止转动，旋转定位装置16将整个转动系统锁定在位置I(零位)。

二、输入起始条件

当转动系统锁定在位置I(零位)后，根据用户选择测定的地球自转参数类型，要求用户输入不同的起始数据，若要测定地球自转角速度，则需输入测站点的纬度值然后仪器根据下达的指令提示用户对测线的另一已知点进行瞄准，用照准系统1精确瞄准目标后，仪器提示用户输入所瞄准测线的真北方位角α；输入光纤陀螺的标定因数k值，k值在仪器出厂时由生产厂家测定，一般为默认固定值，无需修改，输入好上述起算数据后，仪器开始进行数据采集。

三、测定地球自转参数

起始条件输入完毕后，仪器将所下达的控制指令传输至光纤陀螺7，接收到控制信号后，三轴正交光纤陀螺7和加速度计9在位置I(零位)进行数据采集，当采集到足够多的数据时，停止采样，采样次数i＝1。

位置I(零位)的数据采样结束后，三轴正交光纤陀螺7会将转台旋转频率控制指令发送给驱动电机11，旋转定位装置16解锁，步进电机14驱动步进电机齿轮15开始旋转，步进电机齿轮15带动旋转电机涡轮13旋转，使整个共轴式转动系统绕VV轴转动；固联在转动系统下方的光栅码盘21也随之一起旋转，当电子测角装置20判断到达90°位置时，驱动电机11向旋转定位装置16下达定位指令，驱动电机11停止转动，旋转定位装置16将整个转动系统锁定在位置II(90°)，三轴正交光纤陀螺7接收到定位信号后，进行数据采集，采样次数i＝i+1。然后旋转电机系统005会带动共轴式转动系统在位置III(180°)、位置IV(270°)分别重复上述的操作，最终采样次数i＝4，完成全部数据的采样，最后转动系统最终会回转到零位(此时不再采样)。最终仪器将四个位置采集到的数据进行数据处理计算，解算出地球自转参数，然后将解算数据传输到存储模块并显示出解算数据。

四、地球自转角速度解算

下面，以四位置方法为例，利用三轴正交光纤陀螺测定地球自转角速度的基本计算过程如下：

以敏感线圈轴平行于水平转盘的光纤陀螺X为例，当转动系统锁定在位置I(零位)时，光纤陀螺进行数据采样，由光纤陀螺基本公式

通过检测相位差(即干涉光强)的信息可以获取位置I的角速率值，角速率与此测站的地球自转角速度分量ω_Xe的关系由如下公式确定：

其中，纬度和已知测线的北向夹角α为已知起算数据，测定自转参数前时已手动输入至微计算机，k为光纤陀螺的标定因数，为陀螺常值漂移；此时转盘角θ＝0。则有：

同理，当转盘依次转动，光纤陀螺X在位置II(θ＝90°)、位置III(θ＝180°)、位置IV(θ＝270°)采集到的角速率值联立四个方程，角速率ω与地球自转角速度分量ω_Xe的关系可表示为如下方程组：

方程组中，ω_Xe为未知量，(3)式减去(1)式，(4)式减去(2)式，消去ω₀，解此方程组得：

将纬度北向夹角α和光纤陀螺的标定因数k代入上式，即可计算出该测站点的地球自转角速度ω_Xe，此为光纤陀螺X所解算出地球自转的角速度分量，同理光纤陀螺Y、光纤陀螺Z均可解算出相应的地球自转的角速度分量ω_Ye、ω_Ze，最后将求解出三者的矢量和：

即可得到最终的地球自转角速度ω_e，最后计算结果传输至显示屏，向用户显示最终数据。

操作算例：

首先选取两个已知坐标点A(32°44′12.07″,118°27′48.91″,182.109)、B(32°44′29.65″,118°27′50.31″,182.109)，根据两点坐标计算出AB测线的北方位角α＝1°25′36″；

在A点安置光纤陀螺地球自转参数测量仪，照准系统瞄准B点，输入起算数据北向夹角α＝1°25′36″和地理纬度

三个相互正交的光纤陀螺自动在四个不同的盘位采集数据，计算相应的纬度值分量，最后求解出三者的矢量和得出最终的地球自转参数

Claims (1)

1.一种利用光纤陀螺测定地球自转角速度的方法，其特征在于：该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地球自转角速度；

所述的带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪由照准系统(001)、陀螺仪外壳(002)、光纤陀螺元件(003)、水平转盘(004)、旋转电机系统(005)、陀螺仪测角系统(006)、调平装置(007)和激光对中系统(008)构成；

所述的照准系统(001)安置于陀螺仪外壳(002)上方，通过连接盘(4)连接，光纤陀螺元件(003)、水平转盘(004)、旋转电机系统(005)、陀螺仪测角系统(006)、激光对中系统(008)构成陀螺仪系统，陀螺仪系统的内部元件均安置在陀螺仪外壳(002)内部，调平装置(007)安置在陀螺仪底部；

所述的照准系统(001)包括上对中支架、望远镜、照准系统测角装置，其中，上对中支架安置在照准系统(001)顶端，呈门形结构，其中心位置设有上对中标识，用垂球法进行上对中；望远镜在竖直面内绕轴HH自由旋转，水平面内绕轴VV旋转，用于精确瞄准目标；照准系统测角装置安置在照准系统(001)下方，利用望远镜瞄准目标，通过照准系统测角装置准确测定目标与度盘零刻度之间的水平夹角；

照准系统(001)通过连接盘(4)与下方的陀螺仪系统相连接，形成同基座的一体化结构；陀螺仪系统外部有金属材料制成的陀螺仪外壳(002)包裹，用于保护陀螺仪内部元件，陀螺仪外壳(002)上平面安装有陀螺仪水准管(5)；陀螺仪系统中，旋转电机系统(005)固定在陀螺仪系统中央，其驱动电机旋转轴(17)位于轴VV上；旋转电机系统(005)上方固联一水平转盘(004)，水平转盘(004)中点位于轴VV上，且水平转盘(004)平面严格垂直于轴VV；水平转盘(004)上安装光纤陀螺元件(003)；旋转电机系统(005)轴线下方固定陀螺仪测角系统(006)，陀螺仪测角系统(006)的光栅码盘(21)中心过轴VV，且光栅码盘(21)平面严格垂直于轴VV；陀螺仪系统底部安置激光对中系统(008)，激光发射器(24)发射的射线与轴VV重合，穿过下对中通光孔(25)实现仪器的下对中；调平装置(007)安装在陀螺仪系统底部，用于整平仪器；水平转盘(004)、旋转电机系统(005)和陀螺仪测角系统(006)组成一个共轴式转动系统，陀螺仪工作时，旋转电机系统(005)为水平转盘(004)提供动力，带动光纤陀螺元件(003)和陀螺仪测角系统(006)绕轴VV在水平方向旋转；

所述的旋转电机系统(005)由驱动电机(11)、电机转子(12)、旋转电机涡轮(13)、步进电机(14)、步进电机齿轮(15)、旋转定位装置(16)、驱动电机旋转轴(17)、深沟球滚动轴承(18)和电源电缆接口(19)构成，驱动电机(11)位于陀螺仪系统中心，其平面保持水平；驱动电机旋转轴(17)与轴VV重合，驱动电机旋转轴(17)下端采用深沟球滚动轴承(18)作为辅助支撑，提高整个轴系地精度和可靠性；驱动电机(11)的电机转子(12)外部安装旋转电机涡轮(13)，步进电机(14)安装在驱动电机(11)旁侧，与驱动电机(11)相连，步进电机齿轮(15)与旋转电机涡轮(13)相咬合；旋转电机涡轮(13)下端安置有旋转定位装置(16)，用于锁定旋转电机涡轮(13)转位；外壳(6)设有电源电缆接口(19)，为陀螺仪系统提供电源；

所述的光纤陀螺元件(003)包括三轴正交光纤陀螺(7)、加速度计(9)以及温度控制及补偿装置(8)，这些元件均安置在与旋转电机系统(005)固联的水平托盘(10)上；其中，三轴正交光纤陀螺(7)安装在水平托盘(10)中心，其中两个光纤陀螺敏感线圈轴线与水平托盘(10)平面平行，并与轴VV正交，另一个光纤陀螺敏感线圈轴线垂直于水平托盘(10)平面；加速度计(9)安装在水平托盘(10)上，加速度计(9)敏感轴与水平托盘(10)平面平行，且与光纤陀螺输入轴方向正交，用于测量运载体线加速度；水平托盘(10)上安置有温度控制及补偿装置(8)，用于对受到温度变化影响的调制相位进行控制和补偿改正，从而提高解算地球自转参数的精度；

所述的陀螺仪测角系统(006)由光栅码盘(21)、电子测角装置(20)组成，光栅码盘(21)固联在驱动电机旋转轴(17)下端，可由旋转电机系统(005)带动绕轴VV旋转；电子测角装置(20)位于光栅码盘(21)上方，用于检测主轴回转的角位移量信号；

所述的调平装置(007)安置在陀螺仪下方，由三个均布的脚螺旋(22)构成，使用仪器测量地球自转参数时，通过调节三个脚螺旋(22)使陀螺仪水准管(5)气泡居中，确保整个共轴式转动系统处于水平面；

该方法的具体步骤为：

步骤一，安置仪器：在一条已知测线的其中一个测站点安置光纤陀螺仪，另一测站点安置反射棱镜，打开光纤陀螺仪，用光纤陀螺仪的照准系统精确瞄准反射棱镜；

步骤二，输入起始条件：输入测站点的纬度值所瞄准测线的真北方位角α，光纤陀螺的标定因数值k；

步骤三，三轴正交光纤陀螺测定角速率值：启动光纤陀螺，光纤陀螺X依次在四个转盘位置0°、90°、180°、270°进行角速率值采样，得到转盘位置0°对应的角速率值转盘位置90°对应的角速率值转盘位置180°对应的角速率值转盘位置270°对应的角速率值

步骤四，地球自转角速度解算：采集到的角速率值与地球自转角速度分量ω_Xe的关系得：

由此计算出该测站点光纤陀螺X测出的地球自转角速度ω_Xe，同理光纤陀螺Y、光纤陀螺Z均能够解算出相应的地球自转的角速度分量ω_Ye、ω_Ze，最后将求解出三者的矢量和：

即得到最终的地球自转角速度ω_e。