一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法技术

本发明专利技术的提供了一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法，该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地理纬度。该方法的具体步骤为：安置仪器、输入起始条件、三轴正交光纤陀螺测角速率值、地球地理纬度解算由此可计算出该测站点光纤陀螺X测出的纬度值分量光纤陀螺Y和光纤陀螺Z均可通过与光纤陀螺X测出的纬度值分量相同的方法解算出相应的纬度值分量和最后将求解出三者的矢量和：即可得到最终的地理纬度值

【技术实现步骤摘要】
一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法
本专利技术属于天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航技术、大地测量学领域，可以用于航空、航天、人造卫星精密定轨、深空探测、全球板块运动监测研究等领域，提供一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法。
技术介绍
由于地球外部的不同天体和地球内部物理机制的影响，导致地球的自转过程是不稳定的，通常以地球自转参数来描述地球的自转状态，包括极移和日长变化，其中极移是地球自转轴相对于地壳的运动。地极移动后，地面测站的经纬度及方位角皆会随之而发生变化，我们可以通过测站上纬度观测值的变化来推导极移的变化。因此，准确地测量纬度的变化对于航空、航天、地球物理学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。从上世纪70年代以来，人们开始采用空间大地测量技术精确监测地球自转的变化，包括甚长基线干涉测量技术VLBI、人造卫星激光测距技术SLR、月球激光测距技术LLR、星基多普勒无线电定位技术DORIS、全球卫星定位技术GNSS等。而这些技术具有如下共同特点：第一，观测系统庞大，系统建设十分复杂，所需设备昂贵；第二，需要大范围的地空联测，且观测周期较长，获取的数据量有限；第三，在成果获取方面，需要较长的数据处理时间，且成果计算十分复杂。现阶段还有一种利用机械陀螺仪测定地球自转参数的技术，这种测定方法，虽然大大缩短了观测的时间，但机械陀螺容易受到风力、震动、温度等因素的影响，从而影响测定地球自转参数的精度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种测量精度更好的测量方法来测定地理纬度。为了实现上述技术任务，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法，该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地理纬度。该方法的具体步骤为：步骤一，安置仪器：在一条已知测线的其中一个测站点安置光纤陀螺仪，另一测站点安置反射棱镜，打开光纤陀螺仪，用光纤陀螺仪的照准系统精确瞄准反射棱镜。步骤二，输入起始条件：输入平均地球自转角速度ωe，所瞄准测线的正北方位角α，光纤陀螺的标定因数值k；其中，ωe＝7.292115147×10-5rad/s，α可由已知点坐标计算得出，k值在仪器出厂时由生产厂家测定一般为默认固定值；步骤三，三轴正交光纤陀螺测定角速率值：启动光纤陀螺，光纤陀螺X依次在四个转盘位置0°、90°、180°、270°进行角速率值采样，得到对应的角速率值步骤四，地球地理纬度解算：采集到的角速率值与光纤陀螺X测定出的地理纬度分量的关系可表示为如下方程组：其中：ω0为陀螺常值漂移，解此方程组得：由此可计算出该测站点光纤陀螺X测出的纬度值分量光纤陀螺Y和光纤陀螺Z均可通过与光纤陀螺X测出的纬度值分量相同的方法解算出相应的纬度值分量和最后将求解出三者的矢量和：即可得到最终的地理纬度值本专利技术提供了一种利用三轴正交的光纤陀螺测定地球自转参数的方法，可根据光纤陀螺敏感地球自转运动的原理获取地面上某一点的地球自转参数。采用专利技术的仪器获取地球自转参数可达到如下工作效果：(Ⅰ)观测的周期较短，可获取海量观测数据；(Ⅱ)解算方法简便，数据处理时间短；(Ⅲ)采用正交光纤陀螺进行倾斜补偿改正，不易受外界环境干扰，提高解算的地球自转参数精度；(Ⅳ)不需要大范围地空联测，可以独立获取自求自转参数，为实现对地球自转参数的动态变化监测提供可能性。附图说明图1为光纤陀螺Sagnac效应原理图。图2为光纤陀螺测定地理纬度原理图。图3为本专利技术的光纤陀螺地球自转参数测量仪基本系统结构示意图。图4为本专利技术的光纤陀螺地球自转参数测量仪内部结构示意图。图5为本专利技术的三轴正交光纤陀螺结构示意图。图6为本专利技术的光纤陀螺地球自转参数测量仪工作程序流程图。图3中各标号含义：001照准系统；002陀螺仪外壳；003光纤陀螺元件；004水平转盘；005旋转电机系统；006陀螺仪测角系统；007调平装置；008激光对中系统。图4中各标号含义：1、照准系统；2、水平旋转部；3、通讯接口；4、连接盘；5、陀螺仪水准管；6、外壳；7、三轴正交光纤陀螺；8、温度控制及补偿装置；9、加速度计；10、水平托盘；11、旋转电机；12、电子转子；13、旋转电机涡轮；14、步进电机；15、步进电机齿轮；16、旋转定位装置；17、驱动电机旋转轴；18、滚动轴承；19、电源电缆接口；20、电子测角装置；21、光栅码盘；22、脚螺旋；23、基座；24、激光发射器；25、下对中通光孔。所述的光纤陀螺地球自转参数测量仪即为光纤陀螺仪。以下结合附图和实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细地说明。具体实施方式光纤陀螺的主要优点是：第一，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速运动的能力强；第二，结构简单，体积小，重量轻；第三，启动时间极短；信号稳定可靠，可直接用数字输出，并与计算机接口联接。鉴于目前对高精度、高分辨率地理纬度值需求日益提高的情况，针对目前采用的测量地理纬度技术的缺陷或不足，本专利技术提出一种基于光纤陀螺技术的地球自转参数测量仪，该仪器首次尝试利用光纤陀螺原理进行地球自转参数的测定方法，本专利技术的方法简单易行，不需要大范围的地空联测，可以独立进行地理纬度的测量，受环境干扰较小，且后期数据处理速度较快，可实时监测地理纬度的变化。三轴一体化光纤陀螺与本专利技术所使用三轴正交光纤陀螺的区别：从功能上比较：三轴一体化光纤陀螺实际上功能与三个独立地单轴光纤陀螺子系统相当，是为了实现对三个正交的空间坐标系的旋转轴角速度或位置进行测量，其目的是要获取三个相互垂直方向的角速率信息。三轴一体化光纤陀螺关注的是惯性系统在空间中三个正交方向上的角速率信息，当三轴一体化光纤陀螺受到振动、倾斜的影响时，敏感到的三个正交方向上的角速度会受到倾斜角度的影响，导致三个方向上敏感到的角速率不准确。现有专利和论文并没有采用三轴一体化光纤陀螺进行倾斜补偿的先例。本专利技术所使用的三轴正交光纤陀螺，关注只是三个光纤陀螺在地球自转角速度方向上的速率信息，我们只获取三个光纤陀螺在地球自转轴水平方向的角速度，尽管单个光纤陀螺获取的角速度信息是各自带有倾斜角度的，但根据三个光纤陀螺的敏感轴相互正交的关系，其各自敏感到的角速度信息的矢量和就不再受到倾斜角度的影响，从而达到改正倾斜误差的效果，提高自转参数测定精度。从结构上比较：三轴一体化光纤陀螺主要是从节省了元器件、减小体积、降低成本和功耗的角度考虑，为的是减小光纤陀螺系统的尺寸和重量，采用同一个光源和处理电路。本专利技术所使用正交光纤陀螺，采用三个线圈敏感轴相互正交的光纤陀螺，为的是消除仪器倾斜引起的解算地球自转的误差。我们不关心三个光纤陀螺结构是否一体化，体积是否比较小，因为相对于陀螺仪壳体，光纤陀螺的重量很小。从应用领域上比较：三轴一体化光纤陀螺主要应用于航空、航天、航海、导弹制导等军用领域和地质、石油勘探、惯性系统三维测量等民用领域。本专利技术所使用正交光纤陀螺，主要应用于天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航技术、大地测量学领域，也可以用于航空、航天、人造卫星精密定轨、深空探测、全球板块运动监测研究等领域。本专利技术通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪测定纬度的独创性：光纤陀螺测定地球自转参数技术区别于传统的地球自转参数测定技术，首次将非机械陀螺运用于测定地球自转参数。采用正交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法，其特征在于：该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地理纬度。

【技术特征摘要】
1.一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法，其特征在于：该方法通过带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪来测定地理纬度；所述的带有三轴正交光纤陀螺的光纤陀螺仪由照准系统(001)、陀螺仪外壳(002)、光纤陀螺元件(003)、水平转盘(004)、旋转电机系统(005)、陀螺仪测角系统(006)、调平装置(007)和激光对中系统(008)构成；所述的照准系统(001)安置于陀螺仪外壳(002)上方，通过连接盘(4)连接，光纤陀螺元件(003)、水平转盘(004)、旋转电机系统(005)、陀螺仪测角系统(006)、激光对中系统(008)构成陀螺仪系统，陀螺仪系统的内部元件均安置在陀螺仪外壳(002)内部，调平装置(007)安置在陀螺仪底部；所述的照准系统(001)包括上对中支架、望远镜、照准系统测角装置，其中，上对中支架安置在照准系统(001)顶端，呈门形结构，其中心位置设有上对中标识，用垂球法进行上对中；望远镜在竖直面内绕轴HH自由旋转，水平面内绕轴VV旋转，用于精确瞄准目标；照准系统测角装置安置在照准系统(001)下方，利用望远镜瞄准目标，通过照准系统测角装置准确测定目标与度盘零刻度之间的水平夹角；照准系统(001)通过连接盘(4)与下方的陀螺仪系统相连接，形成同基座的一体化结构；陀螺仪系统外部有金属材料制成的陀螺仪外壳(002)包裹，用于保护陀螺仪内部元件，陀螺仪外壳(002)上平面安装有陀螺仪水准管(5)；陀螺仪系统中，旋转电机系统(005)固定在陀螺仪系统中央，其驱动电机旋转轴(17)位于轴VV上；旋转电机系统(005)上方固联一水平转盘(004)，水平转盘(004)中点位于轴VV上，且水平转盘(004)平面严格垂直于轴VV；水平转盘(004)上安装光纤陀螺元件(003)；旋转电机系统(005)轴线下方固定陀螺仪测角系统(006)，陀螺仪测角系统(006)的光栅码盘(21)中心过轴VV，且光栅码盘(21)平面严格垂直于轴VV；陀螺仪系统底部安置激光对中系统(008)，激光发射器(24)发射的射线与轴VV重合，穿过下对中通光孔(25)实现仪器的下对中；调平装置(007)安装在陀螺仪系统底部，用于整平仪器；水平转盘(004)、旋转电机系统(005)和陀螺仪测角系统(006)组成一个共轴式转动系统，陀螺仪工作时，旋转电机系统(005)为水平转盘(004)提供动力，带动光纤陀螺元件(003)和陀螺仪测角系统(006)绕轴VV在水平方向旋转；所述的旋转电机系统(005)由驱动电机(11)、电机转子(12)、旋转电机涡轮(13)、步进电机(14)、步进电机齿轮(15)、旋转定位装置(16)、驱动电机旋转轴(17)、深沟球滚动轴承(18)和电源电缆接口(19)构成，驱动电机(11)位于陀螺仪系统中心，其平面保持水平；驱动电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：石震，杨志强，马骥，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61