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尋北儀的方位引出方法
- 2019-12-16-

      陀螺尋北儀的尋北測量結果需要傳遞給使用者,這就需要解決尋北方位引出問題。早期的擺式-液浮的和吊絲式尋北儀-都與經緯儀相連,以經緯儀望遠鏡光軸為尋北方位輸出。


      理論上講,尋北方位輸出應該以敏感地速水平分量的陀螺敏感軸為尋北方位輸出軸,但是由于理論上的陀螺敏感軸難以直接觀測或者引出不便因此通常以陀螺的安裝基面或通過標定,將敏感軸傳遞到尋北儀的某個固定軸線例如經緯儀的水平光軸或者某個固定垂直基面的法線作為尋北結果的輸出軸。


      根據使用方法的不同采用不同的引出方法,此時需要考慮的是:標定和引出方便、易于檢測和常數標定、與理論敏感軸之間的關系穩定、使用過程中易于保護等。


1.車載尋北儀


      車體本身是機動的但是車載尋北儀是直接安裝在車上的,尋北儀的尋北測量結果需要傳遞給車載導航儀或者車載雷達、火炮、火箭發射裝置等,因此通常是以尋北儀外殼的側向安裝基面(法線)與車載導航儀建立固定的關系,經過標定測量來確定兩者之間的固定安裝角。為了防止傳遞關系的變化需要定期檢測。


      自尋北航向儀是具有自尋北功能的慣性航向保持裝置其航向儀的水平安裝基面既是航向儀的輸出基面也是尋北結果的輸出基面。


2擺式(吊絲)陀螺尋北儀


2.1.普通吊絲式尋北儀


      最初的擺式陀螺尋北儀MIW10為半液浮的寶石軸承定位,相當于質心下移的懸浮式自由陀螺。陀螺房上安裝的側向平面鏡其法線大致平行于陀螺H軸。


大約在 1975年德國研制出上掛擺式(陀螺敏感部安裝在經緯儀之上)吊絲式陀螺經緯儀,簡稱為吊絲式陀螺經緯儀,這是擺式陀螺尋北儀發展的一個里程碑。后來出現下掛式,而上掛式被淘汰。


      這些尋北儀與普通經緯儀連接在一起,稱為陀螺經緯儀。通過標定,將陀螺H軸與經緯儀望遠鏡光軸建立穩定的方位角關系,將其尋北結果從經緯儀傳遞出去。


2.2.美國ALINE陀螺尋北儀(陀螺經緯儀)


      ALINE尋北儀的方位引出方法是在方位跟蹤轉臺,上固定一片傾斜45°的平面鏡,其法線的水平投影即為尋北方位引出線。轉臺上的小型準直經緯儀向下俯45°來準直平面鏡即完成尋北方位向經緯儀光軸的傳遞。經緯儀仰角45°回到水平位置再向用戶傳遞。


      此時望遠鏡的俯仰偏差被帶入了,為此需要計入經緯儀的俯仰偏差。


      由于每次方位引出都需要經緯儀重新準直傾斜平面鏡因此,經緯儀可以臨時安置在轉臺


      ALINE和下面的MARCS尋北儀中的陀螺房擺動傳感器都是感應式的而不是光學的。


2.3.美國MIARCS高精度吊絲式尋北儀


      MARCS高精度尋北儀是世界最高精度的吊絲式尋北儀(2" 級),作為野戰條件下校正普通尋北儀的方位基準。其方位轉臺上沒有安裝經緯儀因此不能稱為陀螺經緯儀。它的方位引出方法是:在方位跟蹤轉臺上安裝一個直角棱鏡,其法線即為尋北方位引出線。用戶通過準直這個直角棱鏡得到尋北方位。由于減少了一些方位傳遞環節因此具有更高的穩定性。其實,就經緯儀本身來說,從底部的安裝面到上部的經緯儀望遠鏡之間以及度盤與上下回轉機構之間并非固定的整體結構其中就有回轉(也可以說是方位傳遞)機構。


      另外,與普通陀螺經緯儀相比,因為沒有上部的經緯儀,使尋北儀的整體質心大大的向下移動了因此也大大提高了系統的穩定性。


3.四位陀螺羅盤的尋北方位引出方法


      以上幾種尋北儀都是通過與已知北向基準進行比對完成所謂的常數標定將陀螺尋北軸間接的轉移的尋北儀的某個輸出基面??紤]到陀螺漂移,各安裝誤差和安裝基面的穩定性以及多次傳遞誤差等等造成儀器常數不穩定,因此需要定期或者不定期進行校準。而美國四位陀螺羅盤屬于半固定式尋北儀,其尋北方位引出方法是一種最理想的方位引出方法。這里,陀螺枝安裝在水平翻轉軸上,軸的兩端安裝有平面鏡,其法線基本平行于水平翻轉軸。在每次尋北采樣完成之后,水平軸要翻轉180°進行第二次采樣測量。簡單的翻轉之后的第二次采樣與前次采樣相減,將陀螺“常值漂移”,軸側鏡法線與水平軸之間的平行差以及各種安裝誤差全部對消從而成為具有絕對尋北測量功能的尋北儀。采用四位尋北采樣還可以消除其他一些誤差。


4.擺式陀螺尋北儀H直接引出的設想


      嚴格說,擺式陀螺尋北儀在忽略了陀螺房懸帶扭力和外部干擾轉矩,例如磁場干擾,干擾氣流的條件下,陀螺的理論H軸將對稱天文北做方位擺動,在有速度阻尼條件下擺動衰減的零位處于子午面內,在赤道處,H軸平行地軸,在其他緯度條件下,H軸存在俯仰角但是其水平面投影就是當地的真北方向,此時只要我們設法將H軸方位直接引出來我們就可以得到真北方位,完成絕對尋北。


      那么如何將理論H軸引出呢?本人提出如下設想:在陀螺H軸一端安裝一個平面鏡,盡可能使其法線平行于H軸??紤]到陀螺馬達軸承的精度,馬達軸的軸線并非理論H軸。轉子旋轉一周時側向平面鏡法線在水平面的投影并非時理論上的一個點而是一個不規則的“橢園”。此外,在尋北運動過程中,H軸存在俯仰角,形成上下移動的橢園,如果將這不規則橢圓上畫一條垂線將橢圓分割成左右面積相等的兩半那么這條垂直平分線即可作為理論上的H方位引出線。


      此時目視準直陀螺軸平面鏡的返回圖像不會是一個十字線可能是一個不規則的模糊橢圓,我們將目視鏡的固定十字線與橢圓的垂直平分線的豎線對準應該就完成了吊絲式尋北儀的絕對尋北。

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