本发明公开了一种基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，属于精密仪器技术领域，只利用一个摆式陀螺仪实现了全方位寻北，通过优化设计陀螺仪角动量、灵敏部所处封闭空间阻尼系数和悬带扭转特性，将陀螺最大进动速度位置与扭力零位间的夹角控制在合理的较小范围内，通过在陀螺进动过程中适时快速转动仪器使光电检测元件能有效检测出陀螺最大进动速度位置与扭力零位间的夹角，并根据此夹角计算出初始架设偏北角，进而实现基于陀螺最大进动速度的快速粗寻北；合理设计了高精度寻北模式和快速寻北模式满足对寻北时间和精度的不同要求。本发明为摆式陀螺寻北仪大偏北角架设时提供了一种可靠高效的寻北方案，具有广泛的实用价值。
1.基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
步骤3：粗寻北，并使陀螺仪主轴转动至偏离真北±1°的范围内，包括以下步骤；
步骤3.1：利用基于摆式陀螺最大进动速度的粗寻北原理计算出摆式陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，其具体步骤如下：步骤3.1.1：下放陀螺灵敏部；
步骤3.1.2：利用光电检测元件检测陀螺最大进动速度S并计算陀螺最大进动速度S时的位置B与悬带零位A0之间的夹角CB；
当陀螺最大进动速度位置B位于光电检测元件的检测范围(-L，L)内时，利用光电检测元件检测出陀螺最大进动速度S和所在位置B，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
当光标像将要超出光电检测元件的检测范围且仍没有检测到最大进动速度时，控制回转电机带动陀螺仪壳体向陀螺仪进动方向转动角度β一至两次，直至光电检测元件可以检测出陀螺最大进动速度S，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
步骤3.1.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，计算时各角度与位置之间的关系满足：式中：
DK表示陀螺指北力矩系数， 它由角动量H、仪器架设位置的纬度 和地球自转角速度ωie决定；
CB＝α-ΔN<0，表示最大进动速度位置B与悬带零位A0之间的夹角，由步骤3.1.2检测得到，通过设计合理的陀螺灵敏部结构参数、陀螺转速和选择合适的金属悬带使CB≤2L，以确保光电检测元件能检测出最大进动速度的位置；
S表示步骤3.1.2测得的最大进动速度，因为规定陀螺仪架设偏北的位移取“+”，在指北力矩作用下，陀螺仪主轴必定向真北方向N进动，与位移方向相反，所以S取“-”；
令 求解式(1)得陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α在0～π范围内的两个可能解α10和α20，其中，α10≤α20：α10＝arcsinK (2)
步骤3.2：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10和ΔN20：ΔN10＝α10-CB (4)
步骤3.4：根据角度ΔN10控制回转电机带动寻北仪壳体转动；
如果ΔN10＝0，则控制回转电机带动寻北仪壳体转动10°，重复步骤3.1至步骤3.4；
如果ΔN10≠0，则控制回转电机带动陀螺仪壳体转动ΔN10；
步骤3.5：重复步骤3.1至步骤3.3，得到第二组悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN11和ΔN22，根据ΔN11取值判断陀螺仪主轴是否位于真北附近；
如果ΔN11≈0，则说明陀螺仪主轴已经位于真北附近；
如果ΔN11不近似为0，则说明陀螺仪主轴没有位于真北附近，此时控制回转电机带动陀螺仪壳体转动角度ΔN20和ΔN10；
步骤12：锁紧陀螺灵敏部，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
2.基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
步骤3：粗寻北，并使陀螺仪主轴转动至偏离真北方向±1°的范围内；步骤3.1：利用基于摆式陀螺最大进动速度的粗寻北原理计算出摆式陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，其具体步骤如下：步骤3.1.1：下放陀螺灵敏部；
步骤3.1.2：利用光电检测元件检测陀螺最大进动速度S以及陀螺最大进动速度S时的位置B与悬带零位A0之间的夹角CB；
当陀螺最大进动速度位置B位于光电检测元件的检测范围(-L，L)内时，利用光电检测元件检测出陀螺最大进动速度S和所在位置B，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
当光标像将要超出光电检测元件的检测范围且仍没有检测到最大进动速度时，控制回转电机带动陀螺仪壳体向陀螺仪进动方向转动角度β一至两次，直至光电检测元件可以检测出陀螺最大进动速度S，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
步骤3.1.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，计算时各角度与位置之间的关系满足：式中：
DK表示陀螺指北力矩系数， 它由角动量H、仪器架设位置的纬度 和地球自转角速度ωie决定；
CB＝α-ΔN<0，表示最大进动速度位置B与悬带零位A0之间的夹角，由步骤3.1.2检测得到，通过设计合理的陀螺灵敏部结构参数、陀螺转速和选择合适的金属悬带使CB≤2L，以确保光电检测元件能检测出最大速度位置；
S表示步骤3.1.2测得的最大进动速度，因为规定陀螺仪架设偏北的位移取“+”，在指北力矩作用下，陀螺仪主轴必定向真北方向N进动，与位移方向相反，所以S取“-”；
令 求解式(1)得陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α在0～π范围内的两个可能解α10和α20，其中，α10≤α20：α10＝arcsinK (2)
步骤3.2：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10和ΔN20：ΔN10＝α10-CB (4)
步骤3.4：根据角度ΔN10控制回转电机带动寻北仪壳体转动；
如果ΔN10＝0，则控制回转电机带动寻北仪壳体转动10°，重复步骤3.1至步骤3.4；
如果ΔN10≠0，则控制回转电机带动陀螺仪壳体转动ΔN10；
步骤3.5：重复步骤3.1至步骤3.2，得到第二组悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN11和ΔN21，根据ΔN11取值判断陀螺仪主轴是否位于真北附近；
如果ΔN11≈0，则说明陀螺仪主轴已经位于真北附近；
如果ΔN11不近似为0，则说明陀螺仪主轴没有位于真北附近，此时锁紧陀螺灵敏部，控制回转电机带动陀螺仪壳体转动角度ΔN20和ΔN10，下放陀螺灵敏部；
步骤5：锁紧陀螺灵敏部，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法。【背景技术】
[0002] 摆式陀螺寻北仪是一种用于检测真北方向的精密定向仪器，由于其定向精度高，原理相对简单，研制技术成熟，被广泛应用于军民各个领域。
[0003] 摆式陀螺寻北仪是利用金属悬带悬挂一个重心下移的陀螺灵敏部，在重力矩作用下，陀螺仪主轴向真北方向进动，根据陀螺仪主轴的运动规律，通过检测陀螺仪主轴的运动，确定出真北方向。陀螺仪主轴运动状态检测原理如图1所示：陀螺灵敏部5内部装有陀螺仪转子6，通过外部的导流丝3给陀螺仪转子6供电，使陀螺仪转子6沿转子轴转动而产生角动量H，角动量H的方向即为陀螺仪主轴的方向；悬挂柱4和陀螺灵敏部5固联，并由悬带1悬挂于寻北仪壳体10上；摆镜2用光学胶粘于悬挂柱4上部，可以和陀螺灵敏部5一起绕悬带1转动；激光器9发出的光线经摆镜2反射后被光电检测元件8接收，光电检测元件8将光信号转换为电信号，由处理器7对相应的电信号进行处理；当陀螺灵敏部5绕悬带1转动时，光线经摆镜2反射后形成的光标像就会在光电检测元件8上产生相应的运动，光标像的位置就对应了陀螺仪主轴的方向；仪器壳体的转动靠处理器7给出指令后控制回转电机11进行转动。当陀螺仪主轴偏离真北方向的角度较大时，会导致三方面的不足：首先，会使进动速度过大而导致光电检测元件难以捕捉到光标像的运动；其次，会使悬带受到大角度的扭转而发生非弹性变形，严重时会导致悬带损伤；最后，有可能致使导流丝缠绕而烧毁陀螺电机。这三大不足制约了摆式陀螺寻北仪实现全方位寻北。
[0004] 目前，通常采用组合寻北方式来实现摆式陀螺寻北仪的全方位寻北，典型的组合寻北方式是利用电子罗盘或指北针与摆式陀螺寻北仪组合的方式来实现全方位寻北，这种方式的基本实现原理是首先利用电子罗盘或指北针进行概略寻北，然后根据概略寻北结果将摆式陀螺寻北仪架设至真北附近再进行精寻北。这种方式实现起来简单但可靠性不高，主要是由于电子罗盘或指北针的抗电磁干扰能力较弱，在电磁干扰情况下的定向误差有可能达到偏北40°而使这种组合寻北方式失效。【发明内容】
[0005] 本发明的目的鉴于摆式陀螺寻北仪全方位寻北技术的研究现状与不足，提供了一种基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，从陀螺进动速度与陀螺仪主轴偏北方向的角度关系着手，有效解决了摆式陀螺寻北仪实现全方位寻北的技术问题，并能满足不同寻北精度和寻北时间要求。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0007] 方案一：
[0008] 基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
[0010] 步骤2：选择寻北精度高于5″的高精度模式；
[0011] 步骤3：粗寻北，并使陀螺仪主轴转动至偏离真北±1°的范围内，包括以下步骤；
[0012] 步骤3.1：利用基于摆式陀螺最大进动速度的粗寻北原理计算出摆式陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，其具体步骤如下：
[0013] 步骤3.1.1：下放陀螺灵敏部；
[0014] 步骤3.1.2：利用光电检测元件检测陀螺最大进动速度S并计算陀螺最大进动速度S时的位置B与悬带零位A0之间的夹角CB；
[0015] 当陀螺最大进动速度位置B位于光电检测元件的检测范围(-L，L)内时，利用光电检测元件检测出陀螺最大进动速度S和所在位置B，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
[0016] 当光标像将要超出光电检测元件的检测范围且仍没有检测到最大进动速度时，控制回转电机带动陀螺仪壳体向陀螺仪进动方向转动角度β一至两次，直至光电检测元件可以检测出陀螺最大进动速度S，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB。
[0017] 步骤3.1.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，计算时各角度与位置之间的关系满足：
[0018]
[0019] 式中：
[0020] DB表示悬带扭矩系数，由悬带材料性质决定；
[0021] DK表示陀螺指北力矩系数， 它由角动量H、仪器架设位置的纬度和地球自转角速度ωie决定；
[0022] n表示陀螺灵敏部所处空间的阻尼系数；
[0023] CB＝α-ΔN<0，表示最大进动速度位置B与悬带零位A0之间的夹角，由步骤3.1.2检测得到，通过设计合理的陀螺灵敏部结构参数、陀螺转速和选择合适的金属悬带使CB≤2L，以确保光电检测元件能检测出最大进动速度的位置；
[0024] S表示步骤3.1.2测得的最大进动速度，因为规定陀螺仪架设偏北的位移取“+”，在指北力矩作用下，陀螺仪主轴必定向真北方向N进动，与位移方向相反，所以S取“-”；
[0025] 令 求解式(1)得陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α在0～π范围内的两个可能解α10和α20，其中，α10≤α20：
[0026] α10＝arcsinK (2)
[0027] α20＝π-arcsinK (3)
[0028] 步骤3.2：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10和ΔN20：
[0029] ΔN10＝α10-CB (4)
[0030] ΔN20＝α20-CB (5)
[0031] 步骤3.3：锁紧陀螺灵敏部；
[0032] 步骤3.4：根据角度ΔN10控制回转电机带动寻北仪壳体转动；
[0033] 如果ΔN10＝0，则控制回转电机带动寻北仪壳体转动10°，重复步骤3.1至步骤3.4；
[0034] 如果ΔN10≠0，则控制回转电机带动陀螺仪壳体转动ΔN10；
[0035] 步骤3.5：重复步骤3.1至步骤3.3，得到第二组悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN11和ΔN22，根据ΔN11取值判断陀螺仪主轴是否位于真北附近；
[0036] 如果ΔN11≈0，则说明陀螺仪主轴已经位于真北附近；
[0037] 如果ΔN11不近似为0，则说明陀螺仪主轴没有位于真北附近，此时控制回转电机带动陀螺仪壳体转动角度(ΔN20-ΔN10)。
[0038] 步骤4：制动陀螺电机；
[0039] 步骤5：下放陀螺灵敏部；
[0040] 步骤6：检测悬带零位；
[0041] 步骤7：锁紧陀螺灵敏部；
[0042] 步骤8：启动陀螺电机至额定转速；
[0043] 步骤9：下放陀螺灵敏部；
[0044] 步骤10：采用步进法限制陀螺灵敏部的摆幅；
[0045] 步骤11：精寻北测量，得到陀螺北方位；
[0046] 步骤12：锁紧陀螺灵敏部，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
[0047] 方案二：
[0048] 基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，包括以下步骤：
[0049] 步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
[0050] 步骤2：选择平均寻北时间不超过7分钟的快速模式；
[0051] 步骤3：粗寻北，并使陀螺仪主轴转动至偏离真北方向±1°的范围内；步骤3.1：利用基于摆式陀螺最大进动速度的粗寻北原理计算出摆式陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，其具体步骤如下：
[0052] 步骤3.1.1：下放陀螺灵敏部；
[0053] 步骤3.1.2：利用光电检测元件检测陀螺最大进动速度S以及陀螺最大进动速度S时的位置B与悬带零位A0之间的夹角CB；
[0054] 当陀螺最大进动速度位置B位于光电检测元件的检测范围(-L，L)内时，利用光电检测元件检测出陀螺最大进动速度S和所在位置B，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB；
[0055] 当光标像将要超出光电检测元件的检测范围且仍没有检测到最大进动速度时，控制回转电机带动陀螺仪壳体向陀螺仪进动方向转动角度β一至两次，直至光电检测元件可以检测出陀螺最大进动速度S，并计算悬带零位A0与陀螺最大进动速度位置B之间的夹角CB。
[0056] 步骤3.1.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α，计算时各角度与位置之间的关系满足：
[0057]
[0058] 式中：
[0059] DB表示悬带扭矩系数，由悬带材料性质决定；
[0060] DK表示陀螺指北力矩系数， 它由角动量H、仪器架设位置的纬度和地球自转角速度ωie决定；
[0061] n表示陀螺灵敏部所处空间的阻尼系数；
[0062] CB＝α-ΔN<0，表示最大进动速度位置B与悬带零位A0之间的夹角，由步骤3.1.2检测得到，通过设计合理的陀螺灵敏部结构参数、陀螺转速和选择合适的金属悬带使CB≤2L，以确保光电检测元件能检测出最大速度位置；
[0063] S表示步骤3.1.2测得的最大进动速度，因为规定陀螺仪架设偏北的位移取“+”，在指北力矩作用下，陀螺仪主轴必定向真北方向N进动，与位移方向相反，所以S取“-”；
[0064] 令 求解式(1)得陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度α在0～π范围内的两个可能解α10和α20(α10≤α20)：
[0065] α10＝arcsinK (2)
[0066] α20＝π-arcsinK (3)
[0067] 步骤3.2：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10和ΔN20：
[0068] ΔN10＝α10-CB (4)
[0069] ΔN20＝α20-CB (5)
[0070] 步骤3.3：锁紧陀螺灵敏部；
[0071] 步骤3.4：根据角度ΔN10控制回转电机带动寻北仪壳体转动；
[0072] 如果ΔN10＝0，则控制回转电机带动寻北仪壳体转动10°，重复步骤3.1至步骤3.4；
[0073] 如果ΔN10≠0，则控制回转电机带动陀螺仪壳体转动ΔN10。
[0074] 步骤3.5：重复步骤3.1至步骤3.2，得到第二组悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN11和ΔN21，根据ΔN11取值判断陀螺仪主轴是否位于真北附近；
[0075] 如果ΔN11≈0，则说明陀螺仪主轴已经位于真北附近；
[0076] 如果ΔN11不近似为0，则说明陀螺仪主轴没有位于真北附近，此时锁紧陀螺灵敏部，控制回转电机带动陀螺仪壳体转动角度(ΔN20-ΔN10)，下放陀螺灵敏部。
[0077] 步骤4：精寻北测量，得到陀螺北方位；
[0078] 步骤5：锁紧陀螺灵敏部，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
[0079] 与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：
[0080] 本发明一种基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，其利用基于陀螺最大进动速度的粗寻北原理实现了摆式陀螺寻北仪的全方位寻北；高精度模式和快速模式两种寻北模式满足了不同寻北时间和寻北精度的要求。本发明有效避免了分析摆式陀螺寻北仪的大偏北角复杂运动规律，只利用一个摆式陀螺寻北仪就可以实现全方位高精度快速自主寻北。【附图说明】
[0081] 图1：陀螺仪主轴运动状态检测原理示意图；
[0082] 图2：全方位寻北工作流程图；
[0083] 图3：最大进动速度检测原理图；
[0084] 图4：陀螺最大进动速度位置、悬带零位与真北方向的关系示意图；
[0085] 图5：全方位寻北具体实施流程图。【具体实施方式】
[0086] 以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0087] 本发明基于摆式陀螺最大进动速度粗寻北原理的全方位寻北方法，根据不同寻北精度和寻北时间的要求分别选择两种寻北模式：高精度模式和快速模式；在高精度模式下，摆式陀螺寻北仪先基于陀螺最大进动速度的粗寻北原理完成粗寻北，然后依次完成悬带零位检测、步进限幅和精寻北；在快速模式下，摆式陀螺寻北仪基于陀螺最大进动速度的粗寻北原理完成粗寻北后直接进行精寻北，其寻北工作流程如图2所示。
[0088] 设摆式陀螺寻北仪的各项参数为：角动量H＝0.241kg·m2/s；仪器架设纬度2 -5
空气阻尼系数n＝0.001kg·rad·m /s；指北力矩系数DK＝1.4525×10 kg·
rad·m2/s2；悬带扭矩系数DB＝3.6314×10-5kg·rad·m2/s2；光电检测元件有效检测范围L＝±1.5°。
[0089] 实施例1：
[0090] 参见图3，假定陀螺仪初始架设位置为偏北124°13′56″。选择快速寻北模式，具体实施方式为：
[0091] 步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
[0092] 步骤2：选择快速模式；
[0093] 步骤3：粗寻北，并使陀螺仪转动至真北附近；
[0094] 步骤3.1：下放陀螺灵敏部；
[0095] 步骤3.2：光电检测元件8检测出陀螺最大进动速度S＝0.0100rad/s以及该位置与悬带零位间的夹角为CB＝-4°；
[0096] 步骤3.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度：α10＝60°和α20＝120°；
[0097] 步骤3.4：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10＝64°和ΔN20＝124°；
[0098] 步骤3.5：锁紧陀螺灵敏部；
[0099] 步骤3.6：控制回转电机带动陀螺仪壳体向真北方向N转动ΔN10＝64°；
[0100] 步骤3.7：重复步骤3.1至步骤3.4，得到第二组悬带零位偏离真北方向的角度：ΔN11＝60°和ΔN21＝120°；
[0101] 步骤3.8：因为ΔN11不近似为0，锁紧陀螺灵敏部，控制回转电机带动陀螺仪壳体继续向北转动60°，使陀螺仪转动至真北附近，下放陀螺灵敏部；
[0102] 步骤4：积分法进行精寻北，得到陀螺北方位为124°13′47″；
[0103] 步骤5：陀螺灵敏部上锁，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
[0104] 实施例2：
[0105] 参见图3，假定陀螺仪初始架设位置为偏北53°30′46″，选择高精度寻北模式，具体实施方式为：
[0106] 步骤1：启动陀螺电机至额定转速；
[0107] 步骤2：选择高精度模式；
[0108] 步骤3：粗寻北，并使陀螺仪转动至真北附近；
[0109] 步骤3.1：下放陀螺灵敏部；
[0110] 步骤3.2：光电检测元件8检测出陀螺最大进动速度S＝0.0089rad/s以及该位置与悬带零位间的夹角为CB＝-3°30′；
[0111] 步骤3.3：计算陀螺最大进动速度位置B偏离真北方向N的角度：α10＝50°和α20＝130°；
[0112] 步骤3.4：计算悬带零位A0偏离真北方向N的角度ΔN10＝53°30′和ΔN20＝133°30′；
[0113] 步骤3.5：锁紧陀螺灵敏部；
[0114] 步骤3.6：控制回转电机带动陀螺仪壳体向真北转动ΔN10＝53°30′；
[0115] 步骤3.7：重复步骤3.1至步骤3.5，得到第二组悬带零位偏离真北方向的角度：ΔN11＝0°和ΔN21＝180°，因为ΔN11＝0°，所以陀螺仪已转动至真北附近；
[0116] 步骤5：制动陀螺电机；
[0117] 步骤6：下放陀螺灵敏部；
[0118] 步骤7：采用积分法测量悬带零位；
[0119] 步骤8：锁紧陀螺灵敏部；
[0120] 步骤9：启动陀螺电机至额定转速；
[0121] 步骤10：下放陀螺灵敏部；
[0122] 步骤11：采用步进法限幅；
[0123] 步骤12：采用积分法进行精寻北，得到陀螺北方位为53°30′42″；
[0124] 步骤13：锁紧陀螺灵敏部，制动陀螺电机，同时输出陀螺北方向。
