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1、目录1 陀螺及其特性11.1陀螺11.2摆式陀螺仪11.3陀螺仪的基本特性11.4摆式陀螺仪寻北原理21.5积分式陀螺经纬仪的定向原理52Y/JTG-1陀螺经纬仪的主要结构62.1总体构成62.2主要技术指标72.3Y/JTG-1A型积分式陀螺经纬仪工作流程82.4陀螺仪的机械结构及光学系统82.5自动积分及测量控制电路113定向测量作业程序133.1测前准备133.2仪器各功能选择133.3方位角的测量134作业中的注意事项145仪器参数的设置155.1自摆周期和启动不跟踪周期的测定155.2仪器常数C的标定155.3时间设置166仪器的一般调校166.1管状水准器的调校166.2陀螺灵敏部
2、悬带扭力零位的调校166.3激光对点器的调校177陀螺经纬仪的维护与保养171 陀螺及其特性1.1 陀螺凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身轴高速旋转的任意刚体，都称为陀螺。如图1-1所示，设刚体上有一等效的方向支点O。以O为原点，作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为x、y、z，若能满足以下条件：zxzyzConst （1-1）这种类型的刚体统称为陀螺。OZ轴是高速旋转轴，也称陀螺转子轴。刚体一面绕OZ轴作等速旋转，另一方面还可以绕OX及OY轴作较慢的转动。前者称为自转运动，后者称为进动运动。图1-1 陀螺定义示意图1.2 摆式陀螺仪摆式陀螺仪如图
3、1-3所示，即在陀螺仪轴上加上悬重G，则重心由陀螺仪中心O下移到O点，结果便限制了绕Y轴旋转的自由度。亦即X轴受悬重G的作用，而永远趋于和水平面平行的状态，或者说陀螺自转轴的俯仰受到一定限制。由此可知，摆式陀螺仪具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度，故也称为二个半自由度陀螺仪。1-陀螺转子 2-内平衡环 3-外平衡环 4-底座图1-2 三自由度陀螺悬挂装置图 图1-3 变自由陀螺仪为摆式陀螺仪1.3 陀螺仪的基本特性陀螺仪有两个非常重要的特性，即定轴性和进动性。对于由高速转子组成的陀螺仪来说，不管它们的用途如何不同，结构上如何变化，它们都是按照陀螺的这两个基本特性来工作的。为了说明自由陀螺
4、仪的两个特性，可用如图1-4所示的实验仪器做一个实验。首先，把衡重A移至使杠杆达到静平衡的位置上，然后使陀螺高速旋转，这时看到陀螺旋转轴的空间方向始终保持不变，图中指向左边。证实无外力作用，陀螺转轴方向具有恒定不变的特性。因此将陀螺仪装在飞行器内，如果陀螺轴系没有摩擦，无论飞行器怎样倾斜、转弯、俯仰等，陀螺转子轴的方向始终指向初始恒定的方向。图1-4 自由陀螺仪特性实验仪如果将衡重A向左移动一小段距离，在陀螺不转动的情况下，杠杆将在竖直面内产生逆时针方向的转动，即左端下降、右端上升。但是当陀螺转动时，杠杆不作上下倾斜运动，而是仍然保持水平，且在水平面内作逆时针方向的转动（从上向下看），这种现象
5、就是所谓的“进动”。如果将衡重A向右边移动一小段距离，在陀螺转动的情况下，也将产生“进动”，不过进动方向和上述方向相反，即杠杆在水平面内作顺时针方向的转动。1.4 摆式陀螺仪寻北原理1.4.1 摆式陀螺仪寻北规律陀螺经纬仪上的陀螺仪，其支点不在三轴的交点上，而是将陀螺仪用弹性悬带悬挂着，支点在弹性悬带上端的着力点O上，如图1-5所示，O点对整个陀螺仪来讲是个不动点。图1-5 摆式陀螺仪受重力作用的情况由图1-5中知道，当陀螺主轴x水平时，重力P的方向既通过重心O，也通过陀螺仪的支点O，重力矩为零，对陀螺仪不发生作用，因此陀螺不产生进动。但是当地球自转了角之后，陀螺主轴相对地平面AB，升高了角，
6、即图中x轴方向与AB之间的夹角(ABAB)。这时陀螺仪的重力P的方向不再通过陀螺仪的支点O，而产生了力臂为1sin的重力矩(摆力矩)MP，即 （1-2）式中 l为陀螺仪悬挂点O至重心O之间的距离； P为陀螺仪灵敏部的重量，其值为mg；为陀螺仪主轴与地平面之间的夹角(倾角)。由陀螺进动规律知道，重力矩MP的矢量在y轴上，它作用在陀螺仪主轴上，陀螺一旦旋转，便产生进动。陀螺主轴的进动角速度P应与外力矩MP成正比，而与陀螺仪的动量矩成反比，即 （1-3）从上式看出，当陀螺仪的P、l、H选定之后，进动角速度P的大小完全随着高度角的大小变化而变化，而的变化却是地球自转所造成的。这样便发生了在地球自转有效
7、分量y和重力矩Mp。综合作用下，使陀螺主轴总是向子午面方向进动的效应。造成这种进动效应的力矩我们称为指向力矩，其大小为 （1-4）式中 E为地球自转角速度；H为陀螺自转的动量距(角动量)；为测站的地理纬度；为陀螺自转轴与子午线的水平夹角。指向力矩MH表示将陀螺仪主轴进动至子午面的力矩大小。由式1-4可以看出，在赤道上=0，cos=1，陀螺进动的指向力矩MH值最大，而在南、北极=90，cos=0，MH=0。由此可见，陀螺经纬仪放在两极，无指向力矩，陀螺经纬仪不产生进动，所以也就无法定向。实际上指向力矩的大小是从赤道向两极逐渐变化的，到了高纬度变得很小，因此当大于75。后，陀螺经纬仪便失去了定向的
8、能力。因此，在两极和高纬度的地方，不能用陀螺经纬仪定向。在指向力矩的作用下，陀螺主轴向子午面的进动过程同扭摆一样是一个往复的周期运动。如图1-6所示，A位置时，陀螺主轴的倾角为，并以P，的角速度向子午面进动；当进动到子午面后，即B位置时因=0，y将不再引起指向力矩，理应停止进动，然而此时的角为最大，则P也最大，故陀螺主轴以最大的角速度越过子午线；当到达C位置时逐渐减小，P逐渐减小到零，随着增大(反方向)指向力矩加大，这时指向力矩及角速度的方向与A位置相反，即陀螺主轴又开始返回向子午面进动。从而形成了陀螺主轴围绕子午线作往复摆动的情况。这样一来，就给陀螺仪寻找真北方向带来了实际可能。图1-6 摆
9、式陀螺仪向子午面的进动1.4.2 摆式陀螺仪主轴相对地球运动的轨迹综前所述，摆式陀螺仪主轴所以能够跟踪子午面运动，主要是v (地转垂直分量)、y(地转有效分量)、MP(重力矩)等几个重要因素综合影响的结果，这些因素促使主轴的方位角和高度角处于不停的变化过程之中。下面通过图解法分析轴系间无摩擦的理想情况下，陀螺主轴北端相对地球的运动轨迹，即对子午面的相对运动。如图1-7所示，过陀螺仪中心O作地平面ESWN和子午面SZNPNN。在陀螺仪主轴的北面，作垂直于地平面和子午面的一个平面AA，称它为陀螺主轴相对地球运动轨迹的投影面。MM为当地子午面的投影线，HH为当地水平面的投影线。O和O构成陀螺主轴方位
10、角和高度角变化的直角座标系。图1-7 摆式陀螺仪主轴运动的轨迹假设开始的时候，陀螺主轴水平放置，且向东偏离子午线为角指向1点，无外力作用，暂时稳定于1点，但是由于地转有效分量y的作用，水平面相对主轴是东面下降而西面上升，主轴相对水平面则是东面抬高西面下降。且此时水平面变化的速度较快，于是主轴出现了抬高角，从而产生了作用在内环轴上的重力矩MP，在MP的作用下，主轴应该开始向子午面进动。但当MP很小，进动角速度P小于地转角速度垂直分量v时，主轴仍继续相对子午面向东偏离，同时角也继续增大，直至=0时，主轴指向2点，P与v相等，主轴就不再向东运动暂停于2点片刻,我们把2点称为逆转点。但是，由于地转有效
11、分量y不停的作用,且此时变化最快，所以角继续增大，MP也继续增大，P大于v (主轴进动角速度大于子午面进动的角速度)，主轴逐渐回到子午面。由于主轴抬高的较慢，远小于进动角速度P，所以较快的到达子午面3点上,此时=0，y不起作用，和P都达到了最大值，并超过v很多，所以不在子午面停留，将以最大角速度越过子午面向西运动，偏离角。由于主轴运行到子午面以西，y又使水平面西端相对陀螺主轴不断抬高，而角及P将逐渐减小。当=0,即P=v时，到达了另一个逆转点4，主轴与子午面又处于相对静止状态，好像主轴不动一样。当主轴运动到小于0时，P又开始小于v，主轴又逐渐向子午面靠近至5点，此时=0，主轴回到水平面，P应为
12、零。然而由于y的不断作用，主轴将继续下降，当主轴低于水平面时，MP出现负值，加到y轴反向，P的方向也相反，主轴将加速向子午面进动，且的负值越来越大。当主轴回到子午面内时，主轴位于最低点6，=0，y对主轴抬高不起作用。然而由于最大负重力矩的作用，主轴又以最大进动角速度P向东偏离子午面，继续原来的进动过程。从以上描述可知，陀螺主轴北端绕子午面的运动，是受v、y、MP、P等重要因素制约的，是它们联合影响的结果。运动的特点是周而复始的往复运动，进动的轨迹为一很扁的椭圆轨道。摆式陀螺经纬仪相对地球运动的无阻尼非严格微分方程式为 （1-5） （1-6）式中、较小，故sin，sin，MP=Pl。此方程式中，
13、假定靠近北方陀螺轴正端在地平面以上的为正值，规定为从北顺时针计量，当卢为正值时，引起陀螺轴正端反时针方向进动，因此MPH前加一负号。由式1-6得 （1-7）将式1-7代入式1-5得 （1-8）将上式乘以MPH得二阶齐次微分方程式 （1-9）设陀螺轴正端在东逆转点，即=东=0、=0时，t=0。解此式可得 （1-10） （1-11）由式1-10和式1-11可得陀螺仪轴正端运动轨迹方程式为 （1-12）从上式看出，陀螺主轴相对子午面的运动轨迹为一个椭圆。因为(HEcos)MP是很小的真分数，所以椭圆长轴0。比短轴大的多，其轨迹则是很扁的椭圆。当等于2时，t即为无阻尼周期T，得 （1-13）陀螺主轴沿椭圆轨迹运动一周所需的时间称为摆动周期T。理想的陀螺仪其主轴绕子午面的运动是一种永不衰减的简谐摆动。但实际上，陀螺经纬仪的摆动系统是处于空气之中，陀螺轴在轴承中又有摩擦，使陀螺仪轴的摆动振幅在方位上和高度上产生逐渐衰减。衰减程度与摩擦力矩的大小有关，摆动的情况决定于摩擦力矩是否保持一致。当摩擦力矩的大小和方向都不变时，这种微弱的衰减具有一定的规律性，即衰减系数K(等于前后两个摆幅的比值)将保持常数，如图1-8所示。K为 （1-14）图1-8 陀螺轴摆动的周期及衰减现象1.5 积分式陀螺经纬仪的定向原理摆式陀螺仪中，陀螺轴摆动平衡位置
