一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，该方法所采用的测量仪由磁悬浮陀螺系统、精密测角及回转系统、对中整平系统和计算机系统等构成，所述的方法为：安置测量仪、输入所需的纬度精度要求、纬度初值解算、测量仪近北、地理纬度解算，最后，通过与所需的精度要求进行比较进而判定是否继续迭代或是输出最终的地理纬度值。采用发明专利技术的测量仪简单易操作，地理纬度解算方法简便，数据处理时间短，无需进行大范围联测，可以独立获取单个测站的地理纬度。

A Method for Precision Measurement of Geographical Latitude by Maglev Gyroscope

【技术实现步骤摘要】
一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法
本专利技术属于大地测量学、天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航
，可以用于板块运动监测、航空航天、精密导航定位、地球物理学等研究领域，提供一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法。
技术介绍
由于地球的自转过程是不稳定的，极移是用以描述地球的自转状态的一个重要参数。通过监测测站上地理纬度值的变化可推导极移变化。因此，准确地测量纬度的变化对于地球动力学、大地测量学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。而传统的用于监测地球自转的变化的空间大地测量技术，如全球卫星定位技术GNSS、卫星激光测距技术SLR、甚长基线干涉测量技术VLBI等。而这些空间大地测量技术具有如下共同特点：1.监测系统复杂且庞大，需要花费巨大的人力物力；2.观测周期长，解算方法复杂，数据处理时间长；3.无法对单个测站进行纬度测量，必须进行大范围联测。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种比现有技术精度更高且更为简便的利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体，还包括设置于外壳体中的内壳体、位于外壳体下部，用于驱动外壳体旋转的下转台，以及：磁悬浮陀螺系统，包括设置于内壳体中的浮起装置，浮起装置通过衔接架带动陀螺房上浮或下落至初始位置，通过调节浮起装置使陀螺房上浮后处于位置稳定状态；所述的内壳体下方设置有与所述陀螺房下部连接的阻尼传感器转子，外壳体内的底部在周向分布有阻尼传感器定子；精密测角及回转系统，用于驱动所述内壳体转动并测量转动角度，以及测量外壳体的旋转角度；对中整平系统，用于在测量仪安装时通过指北标识进行初步指北、调整测量仪处于水平状态以及使测量仪的中心轴线穿过待测点；计算机系统，用于驱动所述陀螺旋转或停止、驱动陀螺房浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子和阻尼传感器定子之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子电流值和阻尼传感器定子电流值、控制内壳体转动至指定角度、控制下转台转动至指定角度。进一步地，所述的阻尼传感器转子的下部连接有陀螺下落锥，位于外壳体底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥配合的陀螺下落槽；所述衔接架下部设置有衔接杆下落锥，位于内壳体底部设置有与所述衔接杆下落锥配合的衔接杆下落槽。进一步地，所述的对中整平系统包括所述的指北标识、水准管、脚螺旋以及下对中标识孔，其中：所述的指北标识位于外壳体上表面，水准管位于外壳体上表面中心处，水准管的中心轴线与测量仪的中心轴线垂直；所述下转台下部安装于水平平台上，水平平台通过其底部的脚螺旋安装在下平台上，下对中标识孔位于所述下平台的中心处。进一步地，所述的计算机系统设置在外壳体上表面上，包括微型计算机、键盘以及显示屏。进一步地，所述的精密测角及回转系统包括光栅度盘、回转马达以及所述的下转台，其中：光栅度盘安装于外壳体内的顶部，其下部连接所述回转马达，回转马达下部连接所述内壳体。进一步地，所述的浮起装置包括位于内壳体中顶部的电感线圈，在所述的衔接架上设置有与所述电杆线圈配合的衔铁；在所述衔接架的端部分布有自准直光电传感器，所述内壳体的内壁上分布有与所述自准直光电传感器相互配合且一一对应的反射棱镜。进一步地，所述的陀螺房内部设置有陀螺转轴，陀螺转轴的两端通过轴承安装于陀螺房内壁上，陀螺转轴上安装有陀螺。一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，包括以下步骤：步骤1，在待测点上安装磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，使测量仪的指北标识初步指北，并调平测量仪；步骤2，通过计算机系统输入所需的纬度精度要求e；步骤3，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值M甲0，然后回转马达逆时针旋转λ，采集该位置处对应的力矩值M乙0；通过以下公式计算纬度初值上式中，H为陀螺角动量，ωe为平均地球自转角速度；步骤4，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值M丙i，然后回转马达顺时针旋转180°，采集该位置处对应的力矩值M丁i；由以下公式计算测量仪偏北角：其中，为上一步中的纬度解算值；控制下转台逆时针旋转角度αi，从而使测量仪零位更加接近真北方向；步骤5，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值M甲i+1，然后回转马达逆时针旋转λ，采集该位置处对应的力矩值M乙i+1；通过下式计算地理纬度：步骤6，判断地理纬度是否满足精度要求，如满足，则输出如不满足，则返回步骤4重新迭代计算。进一步地，步骤3、步骤4、步骤5在每一个位置处进行力矩采样之前，先通过计算机系统依次执行以下程序：磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，其中：磁悬浮陀螺转动程序：陀螺接收计算机系统指令后转速从零增加到额定转速，并维持在额定转速；磁悬浮陀螺浮起程序：电感线圈接收计算机系统指令后通电，通过衔接架带动陀螺房上浮；磁悬浮陀螺稳定位置判定程序：控制自准直光电传感器发射激光，并接收反射棱镜反射的激光，如果发射出的激光与反射激光重合，则位置稳定；否则计算机系统调整电感线圈中电流大小以及水平电磁场大小，直至位置稳定；力矩器测量程序：通过在阻尼传感器转子和阻尼传感器定子之间形成均匀水平电磁场，实时阻尼传感器转子内部电流值IR和阻尼传感器定子内部电流值IS，则可计算出力矩值为：M＝k·IR·IS其中，k为力矩器系数；磁悬浮陀螺下落程序：电感线圈接收计算机系统指令后断电，陀螺房在重力作用下下落，衔接杆下落锥落入衔接杆下落槽中，陀螺下落锥落入陀螺下落槽中，从而实现磁悬浮陀螺系统的准确复位；磁悬浮陀螺停止程序：陀螺接收计算机系统指令后转速从额定转速逐渐减速到零。本专利技术与现有技术相比具有以下技术特点：本专利技术提供了一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，根据磁悬浮陀螺敏感地球自转运动的原理获取地面上某一点的地理纬度。采用专利技术的测量仪简单易操作，地理纬度解算方法简便，数据处理时间短，无需进行大范围联测，可以独立获取单个测站的地理纬度。附图说明图1为本专利技术利用磁悬浮陀螺测定地理纬度的原理示意图；图2为本专利技术的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪处于待机状态下的内部结构示意图。图3为本专利技术的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪处于悬浮状态下的内部结构示意图。图4为本专利技术的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的俯视图；图5为本专利技术的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的衔接架、自准直光电传感器、反射棱镜工作状态下的俯视图；图6为本专利技术方法的流程示意图；图7为位置甲、位置乙的关系图；图8为位置丙、位置丁的关系图。图中标号说明：1指北标识，2微型计算机，3显示屏，4键盘，5水准管，6光栅度盘，7回转马达，8电感线圈，9外壳体，10内壳体，11衔铁，12衔接架，13反射棱镜，14自准直光电传感器，15衔接杆下落锥，16衔接杆下落槽，17陀螺房，18陀螺，19陀螺转轴，20轴承，21阻尼传感器转子，22阻尼传感器定子，23陀螺下落锥，24陀螺下落槽，25下转台，26水平平台，27脚螺旋，28下对中标识孔。具体实施方式本专利技术首先公开了一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体9，还包括设置于外壳体9中的内壳体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体(9)，其特征在于，还包括设置于外壳体(9)中的内壳体(10)、位于外壳体(9)下部，用于驱动外壳体(9)旋转的下转台(25)，以及：磁悬浮陀螺系统，包括设置于内壳体(10)中的浮起装置，浮起装置通过衔接架(12)带动陀螺房(17)上浮或下落至初始位置，通过调节浮起装置使陀螺房(17)上浮后处于位置稳定状态；所述的内壳体(10)下方设置有与所述陀螺房(17)下部连接的阻尼传感器转子(21)，外壳体(9)内的底部在周向分布有阻尼传感器定子(22)；精密测角及回转系统，用于驱动所述内壳体(10)转动并测量转动角度，以及测量外壳体(9)的旋转角度；对中整平系统，用于在测量仪安装时通过指北标识(1)进行初步指北、调整测量仪处于水平状态以及使测量仪的中心轴线穿过待测点；计算机系统，用于驱动所述陀螺(18)旋转或停止、驱动陀螺房(17)浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子(21)和阻尼传感器定子(22)之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子(21)电流值和阻尼传感器定子(22)电流值、控制内壳体(10)转动至指定角度、控制下转台(25)转动至指定角度。...

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体(9)，其特征在于，还包括设置于外壳体(9)中的内壳体(10)、位于外壳体(9)下部，用于驱动外壳体(9)旋转的下转台(25)，以及：磁悬浮陀螺系统，包括设置于内壳体(10)中的浮起装置，浮起装置通过衔接架(12)带动陀螺房(17)上浮或下落至初始位置，通过调节浮起装置使陀螺房(17)上浮后处于位置稳定状态；所述的内壳体(10)下方设置有与所述陀螺房(17)下部连接的阻尼传感器转子(21)，外壳体(9)内的底部在周向分布有阻尼传感器定子(22)；精密测角及回转系统，用于驱动所述内壳体(10)转动并测量转动角度，以及测量外壳体(9)的旋转角度；对中整平系统，用于在测量仪安装时通过指北标识(1)进行初步指北、调整测量仪处于水平状态以及使测量仪的中心轴线穿过待测点；计算机系统，用于驱动所述陀螺(18)旋转或停止、驱动陀螺房(17)浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子(21)和阻尼传感器定子(22)之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子(21)电流值和阻尼传感器定子(22)电流值、控制内壳体(10)转动至指定角度、控制下转台(25)转动至指定角度。2.如权利要求1所述的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，其特征在于，所述的阻尼传感器转子(21)的下部连接有陀螺下落锥(23)，位于外壳体(9)底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥(23)配合的陀螺下落槽(24)；所述衔接架(12)下部设置有衔接杆下落锥(15)，位于内壳体(10)底部设置有与所述衔接杆下落锥(15)配合的衔接杆下落槽(16)。3.如权利要求1所述的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，其特征在于，所述的对中整平系统包括所述的指北标识(1)、水准管(5)、脚螺旋(27)以及下对中标识孔(28)，其中：所述的指北标识(1)位于外壳体(9)上表面，水准管(5)位于外壳体(9)上表面中心处，水准管(5)的中心轴线与测量仪的中心轴线垂直；所述下转台(25)下部安装于水平平台(26)上，水平平台(26)通过其底部的脚螺旋(27)安装在下平台上，下对中标识孔(28)位于所述下平台的中心处。4.如权利要求1所述的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，其特征在于，所述的计算机系统设置在外壳体(9)上表面上，包括微型计算机(2)、键盘(4)以及显示屏(3)。5.如权利要求1所述的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，其特征在于，所述的精密测角及回转系统包括光栅度盘(6)、回转马达(7)以及所述的下转台(25)，其中：光栅度盘(6)安装于外壳体(9)内的顶部，其下部连接所述回转马达(7)，回转马达(7)下部连接所述内壳体(10)。6.如权利要求1所述的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，其特征在于，所述的浮起装置包括位于内壳体(10)中顶部的电感线圈(8)，在所述的衔接架(12)上设置有与所述电杆线圈(8)配合的衔铁(11)；在所述衔接架(12)的端部分布有自准直光电传感器(14)，所述内壳体(10)的内壁上分布有...

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