【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陀螺寻北，特别是一种快速高精度组合寻北系统及寻北方法。
技术介绍
1、陀螺寻北仪是一种在一定时间内自主确定真北方向的设备。常见寻北仪的原理一般通过采用不同的陀螺仪敏感地球自转参量来实现，如光学陀螺寻北仪、悬丝摆式陀螺寻北仪等，各种陀螺寻北仪均有其各自优缺点。寻北仪的核心指标主要有寻北精度和寻北时间，最大限度地提高寻北精度的同时缩短寻北时间是研究寻北仪的主要目标。
2、目前精度最高的寻北方案为悬丝摆式陀螺方案，寻北精度可以达到角秒级甚至几个角秒，寻北过程一般分为偏北大角度的粗寻北阶段和偏北小角度的精寻北阶段。但由于受陀螺寻北原理的影响，在陀螺初始架设位置偏离北向角度值较大时，会造成无法寻北或寻北时间过长(总时间一般为15分钟左右)的问题。光学陀螺寻北仪(如光纤陀螺、激光陀螺)寻北速度相对较快，可以在3至5分钟完成，但寻北精度相对较低，且存在陀螺体积大不易组合使用的缺点。微机电陀螺是一种新型陀螺，具有体积小、低功耗、可靠性高等特点，通过采集微机电陀螺在若干位置的数据输出，在较短的时间内可解算出陀螺轴相对真北方向的夹角，完成寻北。但微机电陀螺的精度相对较低，通常为十几个角分至1度，单独寻北无实际使用价值，适合与悬丝摆式陀螺组合实现快速高精度的寻北目标。
3、摆式陀螺寻北的原理介绍如下：
4、摆式陀螺仪寻北的原理是用一根高弹性金属悬挂带悬吊重心下移的陀螺灵敏部，以敏感地球自转角速度水平分量，在重力作用下产生一个向北进动的力矩，陀螺灵敏部主轴围绕地球子午面n做有偏移的正弦摆动，如图1所示。
5、其摆动欧拉方程的解为：
6、
7、其中，m为陀螺灵敏部质量，g为当地重力加速度，hg为陀螺转子的动量矩，ωie为地球自转角速度，为当地纬度，db为悬挂带的扭矩系数，δα为悬挂带零位，n为仪器陀螺寻北仪中光电传感器中心距离子午面的角度，又称北向方位角。
8、通过光电传感器采集的摆动正弦曲线上幅值数据，以光电传感器零位为界，从任意时刻t1连续对光电传感器测得的陀螺灵敏部摆动幅值进行积分叠加，叠加到完成一个进动周期t时刻为止，将积分结果除以周期t，得到摆动平衡位置。通过光电传感器采集的摆动正弦曲线上幅值数据，以光电传感器零位为界，从任意时刻t1连续对光电传感器测得的陀螺灵敏部摆动幅值进行积分叠加，叠加到完成一个进动周期t时刻为止，将积分结果除以周期t，得到摆动平衡位置。即：
9、
10、其中，x(t)为光电传感器测得的t时刻陀螺摆动幅值；γ为陀螺摆动中心偏离仪器光电传感器中心的角度；t为陀螺摆动周期。
11、由(1.1)式可知北向角度值n与γ存在如下数量关系：
12、n＝k1γ+k2 (1.3)
13、其中k1、k2为为常量，实际仪器中可通过试验的方式测出。
14、故通过(1.2)式求解出γ，再利用(1.3)即可计算出光电传感器相对子午面的精确角度，即北向方位角n。
15、(1.2)称为计算摆动平衡位置的积分公式，(1.3)称为计算北向方位角的标定公式。
16、微机电陀螺寻北的原理介绍如下：
17、微机电陀螺通过测出被测点地球自转角的水平分量来获得被测点的北向信息，经过解算得到参考轴与真北方向的夹角。微机电陀螺敏感轴平行水平面、其正向与真北方向的夹角为θ的位置时，微机电陀螺的实际输出为：
18、ω＝ωe cosφcosθ+ε(t) (2.1)
19、其中φ为当地的地理纬度，ωe为地球自转角速率，均为常量；ε(t)为陀螺输出的漂移。
20、若在陀螺敏感轴在θ、θ+π/2、θ+π三个方位上的输出分别为：
21、ω1＝ωe cosφcosθ+ε(t1) (2.2)
22、ω2＝ωe cosφcos(θ+π/2)+ε(t2) (2.3)
23、ω3＝ωe cosφcos(θ+π)+ε(t3) (2.4)
24、忽略在陀螺在短周期内的陀螺漂移，利用(2)、(3)、(4)式可得：
25、
26、ω1、ω2和ω3是陀螺输出值，为已知量。利用(2.5)式通过迭代法可以解算出θ，即求得陀螺敏感轴初始位置与真北方向的夹角；(2.5)式称为三位置寻北解算公式。
技术实现思路
1、本专利技术针对悬丝摆式陀螺在偏北大角度寻北时间长和微机电陀螺寻北时间灵活但寻北精度低的特点，提出一种快速高精度组合寻北系统及寻北方法，利用统一的机械回转平台和控制系统，可实现快速高精度的寻北目标。
2、本专利技术的上述目的之一通过以下技术方案来实现：
3、一种快速高精度组合寻北系统，包括控制系统、微机电陀螺模块、悬丝摆式陀螺仪、方位回转平台和北向引出装置；所述悬丝摆式陀螺仪包括陀螺敏感部、悬挂装置和光电转换装置；所述微机电陀螺模块、控制系统、悬挂装置、光电转换装置、北向引出装置均与方位回转平台机械固连；所述微机电陀螺模块中微机电陀螺敏感轴水平布置，用于输出水平姿态信息和包含地球自转角速度的陀螺信息；所述方位回转平台，具有自动回转和位置检测反馈功能，可以绕竖直轴360°回转并返回精确角位置信息，微机电陀螺敏感轴在方位回转平台的带动下可指向任意方位；所述悬挂装置一端与方位回转平台的回转部分同轴连接，一端同轴竖直悬挂陀螺敏感部，陀螺灵敏部从方位回转平台中心孔中穿过，陀螺灵敏部上部固连有竖直布置的平面反射镜，光电转换装置的光学系统与平面反射镜等高相对布置；所述北向引出装置同轴固连于悬挂装置的上方；当方位回转平台绕竖直轴回转时同步带动微机电陀螺模块、控制系统、悬丝摆式陀螺仪和北向引出装置同步回转；
4、所述微机电陀螺模块、方位回转平台、光电转换装置与控制系统均通过电缆实现电连接，采用rs232通讯方式实现信息交互；陀螺灵敏部与控制系统通过无线通讯的方式实现信息交换。
5、而且，所述北向引出装置采用经纬仪、基准平面镜或基准直角棱镜。
6、而且，所述控制系统采用单片机或嵌入式系统。
7、本专利技术的上述目的之二通过以下技术方案来实现：
8、一种基于上述快速高精度组合寻北系统的寻北方法，包括基于微机电陀螺模块的快速预寻北和基于悬丝摆式陀螺仪的偏北小角度高精度寻北两个阶段：
9、步骤1、第一阶段：快速预寻北
10、在初始位置，微机电陀螺模块输出系统的姿态信息传输给控制系统，控制系统根据姿态信息和预设阈值判断系统是否处于水平状态，若水平超差的条件下发出警示信号，并由人工对方位回转平台进行水平调整，使系统恢复水平状态；
11、若系统处于水平状态下，系统进入快速预寻北阶段；具体为：
12、控制系统首先采集当前位置微机电陀螺模块输出的包含地球自转本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种快速高精度组合寻北系统，其特征在于：包括控制系统、微机电陀螺模块、悬丝摆式陀螺仪、方位回转平台和北向引出装置；所述悬丝摆式陀螺仪包括陀螺敏感部、悬挂装置和光电转换装置；所述微机电陀螺模块、控制系统、悬挂装置、光电转换装置、北向引出装置均与方位回转平台机械固连；所述微机电陀螺模块中微机电陀螺敏感轴水平布置，用于输出水平姿态信息和包含地球自转角速度的陀螺信息；所述方位回转平台，具有自动回转和位置检测反馈功能，可以绕竖直轴360°回转并返回精确角位置信息，微机电陀螺敏感轴在方位回转平台的带动下可指向任意方位；所述悬挂装置一端与方位回转平台的回转部分同轴连接，一端同轴竖直悬挂陀螺敏感部，陀螺灵敏部从方位回转平台中心孔中穿过，陀螺灵敏部上部固连有竖直布置的平面反射镜，光电转换装置的光学系统与平面反射镜等高相对布置；所述北向引出装置同轴固连于悬挂装置的上方；当方位回转平台绕竖直轴回转时同步带动微机电陀螺模块、控制系统、悬丝摆式陀螺仪和北向引出装置同步回转；
2.根据权利要求1所述的快速高精度组合寻北系统，其特征在于：所述北向引出装置采用经纬仪、基准平面镜或基准直角棱镜。<...
【技术特征摘要】
1.一种快速高精度组合寻北系统，其特征在于：包括控制系统、微机电陀螺模块、悬丝摆式陀螺仪、方位回转平台和北向引出装置；所述悬丝摆式陀螺仪包括陀螺敏感部、悬挂装置和光电转换装置；所述微机电陀螺模块、控制系统、悬挂装置、光电转换装置、北向引出装置均与方位回转平台机械固连；所述微机电陀螺模块中微机电陀螺敏感轴水平布置，用于输出水平姿态信息和包含地球自转角速度的陀螺信息；所述方位回转平台，具有自动回转和位置检测反馈功能，可以绕竖直轴360°回转并返回精确角位置信息，微机电陀螺敏感轴在方位回转平台的带动下可指向任意方位；所述悬挂装置一端与方位回转平台的回转部分同轴连接，一端同轴竖直悬挂陀螺敏感部，陀螺灵敏部从方位回转平台中心孔中穿过，陀螺灵敏部...
【专利技术属性】
技术研发人员：程志伟，李和薇，邰洋，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：
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