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CN114111753B - 一种光纤陀螺寻北仪 - Google Patents

一种光纤陀螺寻北仪 Download PDF

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CN114111753B CN202111616736.8A CN202111616736A CN114111753B CN 114111753 B CN114111753 B CN 114111753B CN 202111616736 A CN202111616736 A CN 202111616736A CN 114111753 B CN114111753 B CN 114111753B
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Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺寻北仪，包括：主机和惯性组合体；所述主机包括支撑架、双轴转位机构、水准器、棱镜和硬件电路；所述双轴转位机构固定设置在所述支撑架上，所述惯性组合体固定设置在所述双轴转位机构上；所述水准器固定设置在所述支撑架上，基于所述水准器对所述支撑架进行水平校正；所述双轴转位机构带动所述惯性组合体进行转动和翻转；所述惯性组合体获取多个位置处地球自转角速率；所述硬件电路设置在所述双轴转位机构上，所述硬件电路基于各所述地球自转角速率得到偏北角，并通过所述棱镜的镜面法线进行引出。本发明能能有效提高仪器的稳定性和使用效率。

Description

一种光纤陀螺寻北仪
技术领域
本发明涉及寻北测量技术领域，特别是涉及一种光纤陀螺寻北仪。
背景技术
陀螺寻北仪是利用陀螺的基本特性、通过测量地球自转角速率来测定载体所在点的子午线方向(真北方向)的仪器。其主要特点是：定向精度高、测量时间短、不受气候条件限制、在任何时间和地点(高纬度地区除外)都可以自主定向。随着惯性技术、电子技术和计算机等技术的进步，陀螺寻北仪在军事和民用定向领域中均得到了日渐广泛的应用。
严格地说，任何一种惯性级陀螺都可以敏感地球自转角速率，而每一种陀螺又可以采用多种方法完成寻北测量。不论采用何种寻北方法，陀螺寻北仪完成寻北测量后，都需要把陀螺敏感轴指示的方向传递出去，以实现寻北测量结果的引出。由于大多数陀螺的理论输入轴无法用简单的方法直接而准确测量和引出，只能在陀螺寻北仪上确定一个与陀螺理论轴线有稳定关系的基面，以此基面的法线方向代表陀螺理论轴线，通过与外部天文方位基准进行比对获得基面的法线与陀螺理论轴线的偏差，这个偏差值称为仪器常数。因而，陀螺寻北仪属于相对测量仪器，存在一个系统偏差(仪器常数)，陀螺寻北仪的测量结果与仪器常数的代数和是最终的寻北结果。
仪器常数是陀螺寻北仪的一个重要技术指标，它的稳定性直接影响寻北结果的精度和可靠性。若仪器常数不稳定，则陀螺寻北仪的性能就不稳定，造成陀螺寻北仪性能降低，甚至丧失使用功能。仪器常数必须在出厂前通过外部天文方位基准标定。为了使寻北结果更可靠，通常陀螺寻北仪在测量前也要标定仪器常数。仪器常数的标定精度不仅与仪器精度、可靠性、测量人员的操作、标定地点的纬度和观测环境条件有关，而且与天文方位基准的精度有密切关系，为此需要定期复验仪器常数。当仪器在一个测区使用时，可认为用来标定仪器常数的天文方位基准是不变的，陀螺寻北仪测定的方位角主要与寻北仪的结构参数是否变化以及寻北测量误差有关。仪器常数的精度和可靠性直接影响寻北结果的精度和可靠性，是造成陀螺寻北仪性能下降的主要因素。
由于在陀螺寻北仪使用过程中要反复检验仪器常数，从而降低了仪器的使用效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤陀螺寻北仪，不需要通过外部天文方位基准进行仪器常数修正，使用中不必定期标定仪器常数，能有效提高仪器的稳定性和使用效率，进而可全天候、全方位、准确和快速实现高精度方位基准的建立和传递。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤陀螺寻北仪，包括：主机和惯性组合体；
所述主机包括支撑架、双轴转位机构、水准器、棱镜和硬件电路；
所述双轴转位机构固定设置在所述支撑架上，所述惯性组合体固定设置在所述双轴转位机构上；
所述水准器固定设置在所述支撑架上，基于所述水准器对所述支撑架进行水平校正；
所述双轴转位机构带动所述惯性组合体进行转动和翻转；
所述惯性组合体获取多个位置处地球自转角速率；
所述硬件电路设置在所述双轴转位机构上，所述硬件电路基于各所述地球自转角速率得到偏北角，并通过所述棱镜的镜面法线进行引出。
优选地，所述主机还包括：外壳；
所述外壳通过螺钉固定在所述支撑架上。
优选地，所述主机还包括电气接口和电滑环；
外部线路通过所述电气接口与所述硬件电路连接；
所述电滑环位于所述电气接口和所述硬件电路之间，并固定设置在所述支撑架上，所述电滑环防止所述双轴转位机构在转动或翻转过程中不发生绕线。
优选地，所述光纤陀螺寻北还包括：调平座；
所述调平座与所述支撑架通过螺钉固定连接，所述调平座对所述支撑架进行水平校正。
优选地，所述调平座包括：上座、调节螺杆机构和下座；
所述上座与所述支撑架通过螺钉固定连接；
所述调节螺杆机构分别连接所述上座和所述下座，通过调节所述调节螺杆机构，继而对所述支撑架进行水平校正。
优选地，所述双轴转位机构包括：方位轴系和翻转轴系；
所述惯性组合体安装在所述翻转轴系上，所述翻转轴系安装在所述方位轴系上，所述方位轴系固定设置在所述支撑架上；
所述翻转轴系带动所述惯性组合体进行翻转，所述方位轴系带动所述翻转轴系和所述惯性组合体同时进行转动；
所述翻转轴系具有翻转角度限位功能；所述方位轴系通过锁紧机构进行方位转动和固定。
优选地，所述光纤陀螺寻北还包括：显示器；所述惯性组合体包括加速度计和陀螺仪；
所述陀螺仪获取多个位置处地球自转角速率；
所述加速度计获取所述惯性组合体的俯仰角，所述硬件电路将所述俯仰角发送至所述显示器进行显示；
同时基于所述俯仰角和所述水准器进行水平校正。
优选地，所述水准器的数量为2个，分别定位为第一水准器和第二水准器；
所述第一水准器和第二水准器在水平面上相互垂直设置在所述支撑架上。
优选地，所述光纤陀螺寻北还包括第一电机和第二电机；
所述硬件电路通过所述第一电机控制所述方位轴系进行转动；
所述硬件电路通过所述第二电机控制所述翻转轴系进行翻转。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种光纤陀螺寻北仪，包括：主机和惯性组合体；所述主机包括支撑架、双轴转位机构、水准器、棱镜和硬件电路；所述双轴转位机构固定设置在所述支撑架上，所述惯性组合体固定设置在所述双轴转位机构上；所述水准器固定设置在所述支撑架上，基于所述水准器对所述支撑架进行水平校正；所述双轴转位机构带动所述惯性组合体进行转动和翻转；所述惯性组合体获取多个位置处地球自转角速率；所述硬件电路设置在所述双轴转位机构上，所述硬件电路基于各所述地球自转角速率得到偏北角，并通过所述棱镜的镜面法线进行引出。本发明能能有效提高仪器的稳定性和使用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光纤陀螺寻北仪结构图；
图2为本发明主机透视图；
图3为本发明调平座结构图；
图4为本发明陀螺仪的隔周指向示意图。
符号说明：1-主机，2-调平座，3-惯性组合体，11-外壳，12-支撑架，13-双轴转位机构，14-第一水准器，15-棱镜，16-硬件电路，17第二水准器，18-电气接口，19-电滑环，21-上座，22-调节螺杆机构，23-下座，31-第一基准轴，32-第二基准轴，33-敏感轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种一种光纤陀螺寻北仪，不需要通过外部天文方位基准进行仪器常数修正，使用中不必定期标定仪器常数，能有效提高仪器的稳定性和使用效率，进而可全天候、全方位、准确和快速实现高精度方位基准的建立和传递。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明光纤陀螺寻北仪结构图。如图所示本发明提供了一种光纤陀螺寻北仪，包括：主机1、调平座2和惯性组合体3。
如图2所示，所述主机1包括外壳11、支撑架12、双轴转位机构13、水准器、棱镜15、电气接口18、电滑环19、显示器和硬件电路16。
所述双轴转位机构13固定设置在所述支撑架12上，所述惯性组合体3固定设置在所述双轴转位机构13上。所述惯性组合体3包括加速度计和陀螺仪。
优选地，所述双轴转位机构13包括：方位轴系和翻转轴系；
所述惯性组合体3安装在所述翻转轴系上，所述翻转轴系安装在所述方位轴系上，所述方位轴系固定设置在所述支撑架12上。
所述翻转轴系带动所述惯性组合体3进行翻转，所述方位轴系带动所述翻转轴系和所述惯性组合体3同时进行转动。
所述翻转轴系具有翻转角度限位功能；所述方位轴系通过锁紧机构进行方位转动和固定。
进一步地，所述硬件电路16通过第一电机控制所述方位轴系进行转动；所述硬件电路16通过所述第二电机控制所述翻转轴系进行翻转。
所述外壳11通过螺钉固定在所述支撑架12上。
所述水准器的数量为2个，分别定位为第一水准器14和第二水准器17。
所述第一水准器14和第二水准器17在水平面上相互垂直设置在所述支撑架12上。
所述加速度计获取所述惯性组合体3的俯仰角，所述硬件电路16将所述俯仰角发送至所述显示器进行显示。
所述调平座2与所述支撑架12通过螺钉固定连接，所述调平座2对所述支撑架12进行水平校正。
优选地，如图3所示，所述调平座2包括：上座21、调节螺杆机构22和下座23。
所述上座21与所述支撑架12通过螺钉固定连接。
所述调节螺杆机构22分别连接所述上座21和所述下座23。
进一步地，所述调节螺杆机构22包括第一调节螺杆、第二调节螺杆和第三调节螺杆。所述第一调节螺杆、所述第二调节螺杆和所述第三调节螺杆呈均匀且半径相同分布。
基于所述俯仰角、所述第一水准器14和所述第二水准器17，通过调节所述所述第一调节螺杆、所述第二调节螺杆和所述第三调节螺杆，继而对所述支撑架12进行水平校正。
外部线路通过所述电气接口18与所述硬件电路16连接。
所述电滑环19位于所述电气接口18和所述硬件电路16之间，并固定设置在所述支撑架12上，所述电滑环19防止所述双轴转位机构13在转动或翻转过程中不发生绕线。
所述双轴转位机构13带动所述惯性组合体3进行转动和翻转。所述陀螺仪为光纤陀螺仪。
所述陀螺仪获取多个位置处地球自转角速率。
所述硬件电路16设置在所述双轴转位机构13上，所述硬件电路16基于各所述地球自转角速率得到偏北角，并通过所述棱镜15的镜面法线进行引出。
本实施例中，获取4个位置处的处地球自转角速率，具体如下：
所述陀螺仪的各轴分别为第一基准轴31、第二基准轴32和敏感轴33，如图4所示。
第一次测量时，所述第一基准轴31向上，所述第二基准轴32指向概略东向，所述敏感轴33指向概略北向，所述第一基准轴31、所述第二基准轴32和所述敏感轴33构成平面右手坐标系，读取此时所述敏感轴33上的分量，得到第一地球自转角速率。
在第一次测量时位置完成寻北测量后，所述第二电机驱动所述翻转轴系转动。当所述翻转轴系翻转180°时，翻转角度限位功能开启，所述第二电机停止工作并自锁，到达第二次测量位置，开始进行第二次测量，此时所述第一基准轴31指向下，所述第二基准轴32指向概略东向，所述敏感轴33指向概略南向，读取此时所述敏感轴33上的分量，得到第二地球自转角速率。
在第二次测量位置完成寻北测量后，所述第一电机驱动所述方位轴系转动，并实时测量输出转动位置的角度值。当所述方位轴系转动180゜时，锁紧机构锁紧所述方位轴系，到达第三次测量位置，开始进行第三次测量。此时所述第一基准轴31指向下，所述第二基准轴32指向概略西向，所述敏感轴33指向概略北向，读取此时所述敏感轴33上的分量，得到第三地球自转角速率。
在第三次测量位置完成寻北测量后，所述第二电机驱动所述翻转轴系转动。当所述翻转轴系翻转180°时，翻转角度限位功能开启，所述第二电机停止工作并自锁，到达第四次测量位置，开始进行第四次测量。此时所述第一基准轴31指向上，所述第二基准轴32指向概略西向，所述敏感轴33指向概略南向，读取此时所述敏感轴33上的分量，得到第四地球自转角速率。
在第四次测量位置完成寻北测量后，所述第一电机驱动所述方位轴系转动，并实时测量输出转动位置的角度值。当所述方位轴系转动180゜时，锁紧机构锁紧所述方位轴系，回到初始位置，完成测量。
通过所述第一地球自转角速率、所述第二地球自转角速率、所述第三地球自转角速率和所述第四地球自转角速率进行计算，得到所述偏北角，计算公式如下：
式中：ωe为地球直转角速率，ω1x为第一地球自转角速率，ω2x为第二地球自转角速率，ω3x为第三地球自转角速率，ω4x为第四地球自转角速率，为概略经纬度，ψ为偏北角。
寻北仪在出厂前会进行常数标定，通过已知北向基准，利用所述方位轴系的角度测量和输出功能，建立所述棱镜15的镜面法线与所述陀螺仪的所述敏感轴33之间稳定的方位角关系，标定完成后，以所述棱镜15的镜面法线作为寻北结果输出轴，已知所述棱镜15的镜面法线与所述陀螺仪的所述敏感轴33之间稳定的方位角关系，又求得所述偏北角，即可将所述偏北角转化为所述棱镜15的镜面法线的偏真北角度，实现真北方向的测量。
本发明有益效果如下：
1)以高精度光纤陀螺仪为敏感地球自转角速率的传感器，利用加速度计测量光纤陀螺仪的姿态角，采用四位置加翻转组合测量方式消除了结构仪器常数对测量结果的影响。
2)在无任何外界辅助条件下，可实现高精度方位基准建立和传递，同时精确测定载体的姿态角和当地纬度。
3)测量结果不需要通过外部天文方位基准进行仪器常数修正，使用中不必定期标定仪器常数，能有效提高仪器稳定性和使用效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光纤陀螺寻北仪，其特征在于，包括：主机和惯性组合体；
所述主机包括支撑架、双轴转位机构、水准器、棱镜和硬件电路；
所述双轴转位机构固定设置在所述支撑架上，所述惯性组合体固定设置在所述双轴转位机构上；
所述水准器固定设置在所述支撑架上，基于所述水准器对所述支撑架进行水平校正；
所述双轴转位机构带动所述惯性组合体进行转动和翻转；
所述惯性组合体获取多个位置处地球自转角速率；
所述硬件电路设置在所述双轴转位机构上，所述硬件电路基于各所述地球自转角速率得到偏北角，并通过所述棱镜的镜面法线进行引出；
所述双轴转位机构包括方位轴系和翻转轴系，所述惯性组合体包括陀螺仪，所述光纤陀螺寻北仪还包括第一电机和第二电机；
所述获取多个位置处地球自转角速率，具体如下：
所述陀螺仪的各轴分别为第一基准轴、第二基准轴和敏感轴；
第一次测量时，所述第一基准轴向上，所述第二基准轴指向概略东向，所述敏感轴指向概略北向，所述第一基准轴、所述第二基准轴和所述敏感轴构成平面右手坐标系，读取此时所述敏感轴上的分量，得到第一地球自转角速率；
在第一次测量位置完成寻北测量后，所述第二电机驱动所述翻转轴系转动；当所述翻转轴系翻转180°时，翻转角度限位功能开启，所述第二电机停止工作并自锁，到达第二次测量位置，开始进行第二次测量，此时所述第一基准轴指向下，所述第二基准轴指向概略东向，所述敏感轴指向概略南向，读取此时所述敏感轴上的分量，得到第二地球自转角速率；
在第二次测量位置完成寻北测量后，所述第一电机驱动所述方位轴系转动，并实时测量输出转动位置的角度值；当所述方位轴系转动180゜时，锁紧机构锁紧所述方位轴系，到达第三次测量位置，开始进行第三次测量；此时所述第一基准轴指向下，所述第二基准轴指向概略西向，所述敏感轴指向概略北向，读取此时所述敏感轴上的分量，得到第三地球自转角速率；
在第三次测量位置完成寻北测量后，所述第二电机驱动所述翻转轴系转动；当所述翻转轴系翻转180°时，翻转角度限位功能开启，所述第二电机停止工作并自锁，到达第四次测量位置，开始进行第四次测量；此时所述第一基准轴指向上，所述第二基准轴指向概略西向，所述敏感轴指向概略南向，读取此时所述敏感轴上的分量，得到第四地球自转角速率；
在第四次测量位置完成寻北测量后，所述第一电机驱动所述方位轴系转动，并实时测量输出转动位置的角度值；当所述方位轴系转动180゜时，锁紧机构锁紧所述方位轴系，回到初始位置，完成测量；
通过所述第一地球自转角速率、所述第二地球自转角速率、所述第三地球自转角速率和所述第四地球自转角速率进行计算，得到所述偏北角，计算公式如下：
式中：ωe为地球直转角速率，ω1x为第一地球自转角速率，ω2x为第二地球自转角速率，ω3x为第三地球自转角速率，ω4x为第四地球自转角速率，为概略经纬度，ψ为偏北角。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述主机还包括：外壳；
所述外壳通过螺钉固定在所述支撑架上。
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述主机还包括电气接口和电滑环；
外部线路通过所述电气接口与所述硬件电路连接；
所述电滑环位于所述电气接口和所述硬件电路之间，并固定设置在所述支撑架上，所述电滑环防止所述双轴转位机构在转动或翻转过程中不发生绕线。
4.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述光纤陀螺寻北仪还包括：调平座；
所述调平座与所述支撑架通过螺钉固定连接，所述调平座对所述支撑架进行水平校正。
5.根据权利要求4所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述调平座包括：上座、调节螺杆机构和下座；
所述上座与所述支撑架通过螺钉固定连接；
所述调节螺杆机构分别连接所述上座和所述下座，通过调节所述调节螺杆机构，继而对所述支撑架进行水平校正。
6.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述双轴转位机构包括：方位轴系和翻转轴系；
所述惯性组合体安装在所述翻转轴系上，所述翻转轴系安装在所述方位轴系上，所述方位轴系固定设置在所述支撑架上；
所述翻转轴系带动所述惯性组合体进行翻转，所述方位轴系带动所述翻转轴系和所述惯性组合体同时进行转动；
所述翻转轴系具有翻转角度限位功能；所述方位轴系通过锁紧机构进行方位转动和固定。
7.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述光纤陀螺寻北仪还包括：显示器；所述惯性组合体包括加速度计和陀螺仪；
所述陀螺仪获取多个位置处地球自转角速率；
所述加速度计获取所述惯性组合体的俯仰角，所述硬件电路将所述俯仰角发送至所述显示器进行显示；
同时基于所述俯仰角和所述水准器进行水平校正。
8.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述水准器的数量为2个，分别定位为第一水准器和第二水准器；
所述第一水准器和第二水准器在水平面上相互垂直设置在所述支撑架上。
9.根据权利要求6所述的光纤陀螺寻北仪，其特征在于，所述光纤陀螺寻北仪还包括第一电机和第二电机；
所述硬件电路通过所述第一电机控制所述方位轴系进行转动；
所述硬件电路通过所述第二电机控制所述翻转轴系进行翻转。
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