专利名称：一种摆式陀螺寻北仪测量方法
技术领域：
本发明属于寻北仪测量方法，具体涉及一种摆式陀螺寻北仪测量方法。
背景技术：
陀螺寻北仪是一种能在静基座上全天候自动指示方位的高精度惯性仪表，广泛应用于测绘、矿山、隧道、军事、航空、航天等领域，它依靠惯性元件敏感地球自转角速率水平分量的特性来完成寻北功能。近年来，随着现代科技的发展，陀螺的品种不断增多，如光纤式陀螺、激光式陀螺等，但由于种种原因，采用新式陀螺的寻北仪在精度和适应环境能力方面往往不及传统的机械光学式陀螺寻北仪。
在机械光学式陀螺寻北仪中使用最多、精度较高的寻北仪是摆式陀螺寻北仪，但摆式陀螺寻北仪的寻北时间相对比较长，且容易受外部干扰影响，在测量的快速性与精度上存在着一定的矛盾，严重制约着其大量应用。目前，摆式陀螺寻北仪的寻北测量时间均在15min以上，且测量精度很难控制在10″以内。工程实际中，其测量精度还会因测量环境的变化而有所降低，有时甚至会变化到1′以上。综上所述，对于当前的摆式陀螺寻北仪仅仅采用一种寻北方法是难于同时满足这两项性能指标要求的。
为了进一步缩短摆式陀螺寻北仪的寻北测量时间，提高其寻北测量精度，人们在寻北阶段采用了积分测量方法，但传统的积分测量方法对定时周期要求相对准确。实际应用中，测量地点纬度相对仪器常数标定地点的纬度变化、测量环境温度的变化、重力场的变化等都会造成测量周期的变化。因而，实际中无论采用哪种周期测量法都很难得到准确的周期值。测量周期的变化直接地影响了积分值的准确性，给测量结果带入了较大的误差，限制了其在摆式陀螺寻北仪中的应用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种测量速度快，测量精度高的摆式陀螺寻北仪测量方法。
本发明是这样实现的一种摆式陀螺寻北仪测量方法，它包括以下步骤
(1)将摆式陀螺寻北仪在观测点上架设整平后，用二次光电积分法测陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值S0；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；ΔT为计时误差；t0此步骤陀螺运动后任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(2)在陀螺马达启动稳定后，释放陀螺敏感元件，并通过零位跟踪方式，获得第一个逆转点，并停止跟踪；在停止跟踪T/2后，将悬带零位与陀螺主轴对准，即用步进概略定向法将跟踪零位收敛到真北附近；(3)通过双次光电积分法记录摆动积分值S；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；ΔT为计时误差；t0此步骤的任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(4)测定预定的目标，读取度盘读数αθ；(5)计算得出真北角度，计算公式为
式中αθ目标与跟踪零位的夹角；S陀螺摆的摆动积分值；T1在装配点处1处的陀螺摆摆动周期；x1装配点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；1仪器装配点处的纬度值；x测量点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；测量地点的纬度值；T0马达静止时的受扭摆动周期；S0陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值；k光电、模数转换的刻度系数，由所选器件决定；ΔαKθ寻北角度偏差修正常数，为安装时确定的偏差值。
本发明中，步骤(2)中的步进概略定向法可快速地、粗略地将陀螺摆收敛到真北附近，缩短了测量时间；而步骤(1)和步骤(3)的双次光电积分法可较好地消除陀螺摆摆动频率偶数倍的低频干扰，有效地减小了摆动周期变化造成的积分测量误差。用步进概略定向法测量精度达到角分级，而经过二次光电积分方法，测量精度可达到角秒级。因此本发明的显著优点是测量速度快，测量精度高。
具体实施例方式
本发明的一种摆式陀螺寻北仪测量方法包括以下步骤(1)将摆式陀螺寻北仪在观测点上架设整平后，用二次光电积分法测陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值S0；二次光电积分法，是指将光电元件采集数据，将陀螺摆信号转换为电信号，经过二次积分公式进行积分的方法。
用二次光电积分法测陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值S0；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；
ΔT为计时误差；t0此步骤陀螺运动后任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(2)在陀螺马达启动稳定后，释放陀螺敏感元件，并通过零位跟踪方式，获得第一个逆转点，并停止跟踪；在停止跟踪T/2后，将悬带零位与陀螺主轴对准，即用步进概略定向法将跟踪零位收敛到真北附近；步进法概略定向法是利用外力作用减小系统原有机械能，如果某一时刻，悬带扭力零位与陀螺摆摆动的逆转点重合，这时，悬带不受扭，弹性位能为零，但此时扭力零位偏北，陀螺摆受指北力矩作用，而具有指向位能，当陀螺摆继续运动半个周期后，到达另一逆转点，由于扭力零位还在前一个逆转点位置，悬带受扭，弹性位能最大，此时将悬带零位转至这一逆转点，则弹性位能变为零，这时新位置的指北位能的绝对值小于前一位置，即扭力零位向真北逼近了，当重复这一过程数次后，陀螺摆的摆幅减小，扭力零位逼近真北。步进法概略定向法是通过外界提供能量，将悬带零位转至逆转点，实现快速粗略逼近真北的方法，大大减少了测量时间。
(3)通过双次光电积分法记录摆动积分值S；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；ΔT为计时误差；t0此步骤的任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(4)测定预定的目标，通过经纬仪测定目标的方位，读取陀螺寻北仪度盘读数αθ；(5)通过计算得出真北角度，真北的计算公式为
计算得出真北角度，计算公式为 式中αθ目标与跟踪零位的夹角；S陀螺摆的摆动积分值；T1在装配点处1处的陀螺摆摆动周期；x1装配点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；1仪器装配点处的纬度值；x测量点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；测量地点的纬度值；T0马达静止时的受扭摆动周期；S0陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值；k光电、模数转换的刻度系数，由所选器件决定。
ΔαKθ寻北角度偏差修正常数，为安装时确定的偏差值。
本发明适用于真北角度的测量。
权利要求
1.一种摆式陀螺寻北仪测量方法，其特征在于它包括以下步骤(1)将摆式陀螺寻北仪在观测点上架设整平后，用二次光电积分法测陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值S0；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S0=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；ΔT为计时误差；t0此步骤陀螺运动后任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(2)在陀螺马达启动稳定后，释放陀螺敏感元件，并通过零位跟踪方式，获得第一个逆转点，并停止跟踪；在停止跟踪T/2后，将悬带零位与陀螺主轴对准，即用步进概略定向法将跟踪零位收敛到真北附近；(3)通过双次光电积分法记录摆动积分值S；积分时间段为t0～t0+Tm+ΔT和t0+(Tm+ΔT)/2～t0+3(Tm+ΔT)/2，二次光电积分公式为2S=∫t0t0+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt+∫t0+Tm+ΔT2t0+Tm+ΔT2+Tm+ΔT(αk+Asin2πTmt)dt]]>Tm为理论上的陀螺摆动周期；Tm+ΔT为实际测量的陀螺摆动周期；ΔT为计时误差；t0此步骤的任意测量时刻；αk悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；A此步骤的摆动振幅；(4)测定预定的目标，读取度盘读数αθ；(5)计算得出真北角度，计算公式为 式中αθ目标与跟踪零位的夹角；S陀螺摆的摆动积分值；T1在装配点处1处的陀螺摆摆动周期；x1装配点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；1仪器装配点处的纬度值；x测量点处的悬带扭力矩系数与陀螺指北力矩系数的比值；测量地点的纬度值；T0马达静止时的受扭摆动周期；S0陀螺马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值；k光电、模数转换的刻度系数，由所选器件决定；ΔαKθ寻北角度偏差修正常数，为安装时确定的偏差值。
2.如权利要求1所述的一种摆式陀螺寻北仪测量方法，其特征在于所述的步骤(2)的步进概略定向法是利用外力作用减小系统原有机械能，如果某一时刻，悬带扭力零位与陀螺摆摆动的逆转点重合，这时，悬带不受扭，弹性位能为零，但此时扭力零位偏北，陀螺摆受指北力矩作用，而具有指向位能，当陀螺摆继续运动半个周期后，到达另一逆转点，由于扭力零位还在前一个逆转点位置，悬带受扭，弹性位能最大，此时将悬带零位转至这一逆转点，则弹性位能变为零，这时新位置的指北位能的绝对值小于前一位置，即扭力零位向真北逼近了，当重复这一过程数次后，陀螺摆的摆幅减小，扭力零位逼近真北。
全文摘要
本发明属于寻北仪测量方法，具体涉及一种摆式陀螺寻北仪测量方法。它包括以下步骤寻北仪在观测点上架设整平后，用二次光电积分法测马达启动前的扭力零位与跟踪零位之间的偏差角度积分值S
文档编号G01C17/00GK101082491SQ20071012267
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年8月28日
发明者王缜, 余祖荫 申请人:北京航天发射技术研究所