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1、四位陀螺罗盘总结一四位罗盘研究情况为了研制高精度陀螺寻北仪， 1974 年底组成课题组，成员有 余祖荫、肖锡洪、郑全宝、冯维康和陆颂宁，开始陀螺寻北仪的研 究，到今年已有 7 年之久。研制工作大体可分为以下几个阶段。四位陀螺罗盘的立项和研制工作是在当时十五所所长南新宇副 所长戴树智和瞄准专业工程组组长肖锡洪的大力支持下进行的。 1原理分析阶段主要是收集和消化资料，调研。目的是学习基本原理和分析其国 内研制的可能性。这方面的探讨在国内还是首次。特别是我们又是 首次接触陀螺仪表。因此这一阶段遇到了极大的困难。为了首先掌 握陀螺和陀螺寻北仪的基本原理，我们曾经先后到一部、13 所、707 所和长沙工
2、学院等从事陀螺和惯导研究的单位请求帮助分析美国四 位陀螺罗盘等寻北仪的基本原理，但是由于国内从未有人接触过这 一领域，因此在调研过程中除去学习了一些有关陀螺仪的基本原理 之外在寻北仪原理方面均未能得到帮助。在此情况下我们只好自己 反复学习研究美国的资料，大约花费了一年多的时间终于初步了解 了四位罗盘的基本原理，这为下一步开展研制工作打下了基础。2原理试验的方案设计1976 年正式开始四位罗盘原理试验的方案设计。决定采用 707 所 915 惯导系统使用的（动压转子轴承）液浮陀螺、手动翻转、数 字加矩和罗盘系数直接测量等主要技术途径。后来的研制工作证明 所选择的基本上是正确的。这一阶段还确定了试
3、验布局和数据处理 方法等。3技术设计1977 年下半年开始了原理试验装置的技术设计。经过一年半的 努力完成了一套四位罗盘原理试验系统。其中包括简单的实验室方 位基准镜的建立。为了节省人力物力和加快研制进度，在结构设计中简单的改装 废旧的DF-1瞄准仪主体成为一个具有相当精度的双轴转台。其他测 量仪器全部使用研究室里常用的仪器。最初的电子线路则除去陀螺 温控、陀螺宝石轴承抖动、激励信号源采用 707所提供的电路之外， 独立设计了陀螺信号的测量回路-数字再平衡（即力反馈）回路和数 字测量回路。三相陀螺马达电源则是请 502 所研制了一台精密换流 器。后来的大量试验证明上述设计是成功的。4原理试验阶
4、段1979 年 9 月开始到 1982 年进行了大量原理试验。试验在十五所 大楼一层北侧配电室西边进行。试验内容：1）验证了四位陀螺罗盘的寻北原理，寻北精度达 30 角秒；2）验证了数字加矩方法的准确性；3）对于影响寻北精度的问题，陀螺马达运转噪声、浮子轴承摩擦转矩、陀螺在翻转和方位转动过程中所受的干扰等问题进 行试验研究好重点分析；4）对寻北原理问题进行了输入探讨二试验结果根据现有陀螺的问题（主要是输出轴存在的摩擦死区，陀螺产生 单位给出的死区为1，左右，因此断定其寻北精度不可能优于1，） 我们希望达到的寻北精度为30- 1，。经过不断努力，后期的寻北 测量精度显然超过了预期指标。由于对目前
5、的寻北精度的评估存在一定分歧为此这里将不同的 取舍结果分别开列如下： 以每次启动只取第一个寻北测量结果来计算，寻北精度比较稳定。例如 1979年12月25日至 1980年1月 5日的 15次寻 北试验，每次完成几个测回，其离散值在9- 40之间，但是 每次启动的第一个测回的冷态寻北结果是比较稳定的。除去1979年12月26日因实验室隔壁打桩和 1980年1月5日下 午因基准走动之外， 13 次启动的第一个寻北值的均方差为 14.5.若取其中9次的结果，这9次之间未作其他测量，则均 方差为6.38。其一个寻北测量周期为40- 50分钟，其中前 30 分钟为陀螺加热时间。在一次启动多次寻北测量时如
6、果每次陀螺翻转之后停留5分钟再取样并且采用测前和测后双罗盘系数进行处理则连续 7 个测回的寻北精度o可达13- 17。如果对于个别数据进行 取舍则寻北精度还会提高。采用上述方法对 35#和 68#号陀螺进行试验，所得结果接 近。除去 30 分钟金额加热时间之外，一个测回的时间约为 25- 30 分钟。采用一次启动多个测回，翻转时间等待40- 50s，每个测回15 分钟，以及单罗盘系数计算时其离散比较大，从几角秒到 50 角秒。特别是第一个测量值与下面的测量值相差比较大。 关于绝对寻北由于四位陀螺罗盘在测量原理上就属于绝对寻北测量，即仪器常数为 0。由于条件限制未能对其绝对寻北精度进行实际标定。
7、三对四位陀螺罗盘试验中几个问题的看法在历经 5 年的工作之后，四位陀螺罗盘试验工作由于寻北精度 问题暂时停顿下来。希望等待707所新的超高精度三浮（陀螺马达- 采用动压气浮轴承，浮子-采用液体浮油中悬浮，浮子轴，即陀螺输 出轴采用无摩擦死区的磁悬浮）陀螺研制成功之后继续开展研制工作。说明：707所新的超高精度三浮陀螺于 1995年研制成功，其随 机漂移优于0.0001 /h。售价30万元/个。利用这种陀螺不难研制成 功寻北精度达 5具有绝对寻北功能的高精度陀螺寻北仪。遗憾的是， 在十五所已经没有哪位领导对此发生兴趣了。1 关于罗盘系数的直接测量方法四位陀螺罗盘的寻北测量过程实际上是通过将陀螺放
8、在四个不 同姿态下敏感地速并根据四个测量值和已知的罗盘系数推算陀螺敏 感轴的偏北角。美国资料中采用事先标定的罗盘系数同时考虑到当 地纬度的修正值。但是在我们的试验中发现此时寻北值的离散很大， o大约在40- 50。可能是由于我们的陀螺的罗盘系数稳定性存在 问题。为此我们提出了一种罗盘系数直接测量方法，或者说是现测 罗盘系数方法，也即在每个寻北测回过程中完成罗盘系数的现测。 以此补偿陀螺特性的不稳定性。由于引入现测罗盘系数使四位寻北 变为五位寻北测量，使寻北时间增加了 100s。此时寻北值的o大约 在 20- 30。显然现测罗盘系数的测量精度受到陀螺信号中噪声和环境干扰 的影响。如果能适当增加罗
9、盘系数的积分时间，将可能进一步提高 寻北精度。当然，如果陀螺输出轴没有死区而且特性又十分稳定， 例如使用三浮陀螺，则不应该采用现测罗盘系数的测量方法。2. 非线性修正所用罗盘系数是假设为线性系数的，这在陀螺轴偏东小角度条件 下，例如 1之内，引起的寻北误差通常可以忽略不计，但是在高精 度测量中仍然需要进行非线性修正。美国四位陀螺罗盘资料中给出 了非线性修正公式。由于我们采用了固定装角的现测罗盘系数方法比固定系数方法引入了更大的非线性误差，为此我们推导了新的非线性修正公式。 从公式看，新的修正公式比美国资料的修正公式的修正量大而且修 正方向与之相反。3关于陀螺摩擦死区707是 915陀螺的输出轴
10、存在摩擦死区，为了减小这个死区在输 出轴两端设置了宝石轴承抖动激励，但是仍然残存有摩擦死区，一 种随机非线性干扰因素。利用 707 所提供的死区测量方法，我们测 得死区量大约在40- 180之间。此因素限制了寻北精度的提高。曾 经设法采用低频二元加矩脉冲减小死区的影响但是未见明显效果。4关于噪声的来源为了分离噪声的来源，曾经单独在陀螺马达不启动条件下使检查 加矩电流的稳定性，发现测量回路的噪声在8- 10之间。可见寻北 测量误差主要来自陀螺的噪声和漂移。在 查 阅 了 美 国 四 位 罗 盘 使 用 的 GI-TI-1B( 见 NASA CR 144679,1972 年)陀螺资料发现，此陀螺漂移的谱特性在低频段呈白 噪声分布。这样，在积分相等时间内噪声的影响为0。可能是因为美 国人巧妙的利用了这种陀螺的这一特点实现了那不可思议的超高精 度寻北测量的原因。5关于915 陀螺特性的差异原理试验先后使用过 4个陀螺，寻北试验结果指出， 707所提供的出厂指标的优劣与寻北精度的好坏不完全吻合。这可能是由于使 用方式不同所致。在 915 惯导系统中，陀螺是不翻滚的长时间连续 工作，而在四位罗盘使用中需要翻滚而不是连续工作。看来需要在 陀螺设计上针对这个特点做相应修改。这是十五所无能为力的，只能等待707所超高精度的三浮陀螺研制成功之后再考虑了。
