翻身陀螺简史及其力学分析

叙述了翻身陀螺的发明过程及其研究简史. 从物理概念出发分析了翻身陀螺的力学原理.     

面向载体自转的无陀螺捷联惯导系统

鉴于大多数无陀螺捷联惯导系统忽略载体质心位置和加速度计组件中心位置之间的距离，从理论上推导出了面向载体自转的无陀螺捷联惯导系统的基本方程，分析了载体自转对无陀螺捷联惯导系统性能的影响，为无陀螺捷联惯导系统进一步提高导航精度奠定基础。     

小资料

复旦大学创建力学专业的第2年,1959年秋,朱照宣先生应邀来校系统讲授《振动理论》课程,课上提到翻身陀螺(后又介绍了俄文文献),引起学生们极大的兴趣。大家不相信竟有此事,于是动手实践。不久就有人做成功了,确实能翻身。具体做法是:在乒乓球上挖一小孔,就中注入少许蜡烛油,再用短羽毛管粘在小孔处。许多同学纷纷仿效,课间可看到不少翻身陀螺在旋转,在当时属于“尖端科学”的力学专业学生中形成了一股小小的“翻身陀螺热”．(陈守吉供稿)     

摆式陀螺经纬仪粗寻北的新方法

针对现有摆式陀螺经纬仪粗寻北方法存在的不足,提出利用检测陀螺力矩实现陀螺经纬仪粗寻北的新方法.推导了陀螺力矩对轴承的水平作用力与陀螺主轴方位角之间的数学公式,在地球自转角速度相对陀螺转子角速度非常小的情况下,对公式进行了简化和仿真运算.采用该方法改进了某型号陀螺经纬仪的粗寻北,实验表明在不影响陀螺经纬仪测量精度的前提下,简化了操作程序,缩短了测量时间.     

TJ-707型陀螺经纬仪

ＴＪ－７０７型陀螺经纬仪陀螺经纬仪是一种不受外界限制，可以全天候独立测定真北的精密仪器。其定向原理是：一个用金属丝悬挂的且重力下移的陀螺灵敏部敏感地球自转角速度的水平分量，在重力作用下陀螺主轴绕地球子午面作往复摆动，其摆动方程近似为α＝αｍｓｉｎ２π...     

关于陀螺近似理论的讨论

本文直接从质点系动量矩定理出发,导出了刚体规则进动动力学方程.在此基础上,讨论了陀螺近似理论公式的适用条件,将原有条件中的质量分布特性由旋转体扩展到一定条件下的非旋转体,将运动特性由高速自转扩展为一定条件下的非高速自转.     

高精度光纤陀螺的分辨率测量

系统介绍了在单轴转台上测量高精度光纤陀螺分辨率的方法。该方法以GJB2426—95对光纤陀螺分辨率的定义为依据，以地球自转水平分量的余弦分量为陀螺的输入量，提出了一种正交三点寻北法。分析了光纤陀螺输出信号的特征，提出用对称测量法消除陀螺零偏并减小零漂对测量的影响。最后用IEEE推荐的测量不确定度评定方法对测量结果的不确定度进行了严格的评定。     

基于加速度计的单轴旋转自主式寻北方法

基于加速度计的无陀螺寻北方法是无陀螺惯性导航必须解决的关键问题。目前加速度计的分辨率无法直接敏感地球自转北向分量,文中设计了一种基于定轴旋转的自主式寻北模型。通过将地球自转北向分量加载在载体旋转角速度上,实现加速度计间接敏感地球自转北向分量,从而进行寻北的功能。该模型可以实现载体任意状态下的寻北功能,并精确解算载体姿态。分析了影响寻北精度和姿态解算精度的几个主要因素。仿真结果表明:加速度计的分辨率和信号采集精度是决定模型寻北精度和和姿态解算精度的关键要素。当加速度计分辨率为5×10-6g,信号采集精度为9mV时,其寻北和姿态解算精度可以达到0.20。     

激光陀螺快速寻北仪的研究

采用激光陀螺作为敏感元件，研制了一套小型、快速、高精度寻北系统。其基本原理为利用地球自转角速度在陀螺敏感轴方向上的分量随敏感轴与真北方向夹角变化的规律来确定北向。并在该基本原理的基础上，建立了数学模型，得出了计算表达式；然后对测得数据进行曲线拟合，得到拟合系数，进而求得激光陀螺敏感轴与北向的夹角，确定北向。     

双惯导联合旋转调制光纤陀螺标度因数误差自校正方法

旋转调制光纤陀螺航海惯导系统中,光纤陀螺标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生等效的天向和北向陀螺漂移误差,也会与船体摇摆角速度以及惯性测量单元旋转调制角速度耦合产生短时动态误差,限制了长航时航海惯性导航精度。通过使用两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统进行联合旋转调制,提出一种光纤陀螺标度因数误差在线估计与自校正方法。根据两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统的水平旋转轴空间夹角关系建立观测方程,实现在线估计滤波。半实物仿真结果表明,自主导航过程中光纤陀螺标度因数误差在线估计精度优于1 ppm,利用输出校正方式在线补偿光纤陀螺标度因数误差导致的惯导定位误差,有效抑制了两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统定位误差的增长。实际转台模拟实验中,两套三轴旋转调制光纤陀螺惯导系统300 h纯惯性导航整体定位最大误差分别减小25%和40%。算法采用地心地固坐标系,因此也适用于极区导航情况。     

旋转式惯导系统的标度因数误差效应分析

旋转式惯导系统的标度因数误差效应理论分析关系系统的设计和精度的提高。从旋转式惯导系统的误差传播方程出发,推导了光学陀螺旋转式惯导系统中由于标度因数误差引起的数学平台角度误差表达式,并以此为基础,分析了非对称性标度因数误差的自动补偿效应、地球自转与对称性标度因数误差的耦合效应、转轴方向上的标度因数误差效应等现象,最后得到了要减小或者消除这些误差效应所应该注意的原则和结论。分析表明,合适的双轴转动方案能够补偿全部三个陀螺的非对称性标度因数误差;采用三轴或者三轴以上的转轴,能消除对称性标度因数误差与地球自转耦合引起的导航误差;为防止对称性标度因数误差和转位运动耦合而引起的大的导航误差,应采用正反转相结合方案。     

陆基导弹的无陀螺捷联惯导系统粗对准

基于一种九加速度计配置方案,给出了开平方法解算载体角速度的解算过程,并分析了无陀螺捷联惯导系统粗对准原理。由于开平方法解算角速度存在符号判断问题,所以在静基座下,系统初始对准时得不到载体角速度而导致地球自转角速度在载体坐标系上的分量无法获得。针对陆基发射导弹的无陀螺捷联惯导系统问题,提出了一种根据陆基发射导弹的初始纬度和航向角来判断载体角速度符号的方法,把此方法与开平方法解算公式结合起来可得出载体角速度矢量,进而完成陆基发射导弹无陀螺捷联惯导系统的自主式粗对准。     

gyro=急螺？thermo-mechanics=？

季文美先生(1912～2001)有次谈起,他曾想把陀螺仪表的词头gyro在汉文定名为“急螺”．这是个好主意,gyro=急螺,英汉音义均近．陀螺仪表起源于gyroscope,当年Foucault J．为演示转动(gyro,指地球的自转)而造的仪器(scope)．后来的航海和航海仪表,则主要利用仪表中陀螺转子高速转动．陀螺,在汉语里原指一种玩具,即英语中的top．季先生是全国     

陀螺输出中的1N交流成分对平台航向效应的影响

针对采用动力调谐陀螺（DTG）稳定平台的某型号系统，分析了陀螺仪输出信号中的1N交流成分（与转子转速同频的交流成分）对平台航向效应的影响。给出了系统中各坐标系之间的关系图和系统水平回路的简化框图。分析了台体在1N交流信号作用下的响应，给出了该交流信号引起的陀螺附加漂移公式，其中包含常值漂移和HSD（heading sensitive drift，航向漂移）两部分，从而说明了此交流成分可以引起平台的航向效应。结合实际参数进行了计算，结果表明陀螺附加漂移中的常值项可达0．092（°）／h，HSD分量可达0．055（°）／h。根据推导过程及陀螺漂移公式给出了相应的解决措施。在回路中使用针对陀螺自转频率的陷波器以及适当调整伺服回路的参数等可有效减小陀螺附加漂移，特别是HSD分量。     

微粗糙平面上翻身陀螺的稳定性

本文讨论微粗糙平面上翻身陀螺绕直立的极轴永久转动的稳定性。应用关于部分变量的稳定性定理,导出在粘性和库仑两种摩擦条件下的解析形式稳定性判据。该判据用永久转动角速度的大小而不是进动角速度的大小作为判别准则,较为合理。     

系泊状态舰载捷联惯导初始对准算法设计

系泊状态下舰船因风浪影响而产生摇摆,陀螺输出信息中信噪比很低,地球自转角速度信息难以提取出来,从而给舰载捷联惯导的初始对准带来困难.针对这一问题,研究了摇摆状态下捷联惯导系统的初始对准技术,基于舰载武器特点建立了捷联惯导系统在系泊状态下的误差模型,采用卡尔曼滤波和自适应滤波进行精对准,并根据摇摆频率与地球自转角速度频带的不同设计了巴特沃思低通滤波器对惯性器件的输出信息进行预滤波,从而一定程度上隔离舰船晃动.理论分析和仿真结果表明,该方案能有效地解决舰船系泊状态下捷联惯导系统的初始对准问题,而且具有较高的精度,研究结果对舰载捷联惯导初始对准具有一定的参考价值.     

捷联寻北系统中的矢量分析方法

捷联寻北系统的基本工作原理基于以下矢量的相互关系：速率陀螺敏感轴方向矢量、加 速度计敏感轴方向矢量、多位置转动轴方向矢量、寻北方向基准（瞄线）矢量、地球自转角速度 矢量和重力场矢量。文献中［１］的多位置寻北方案建立在如下假设之上：陀螺敏感轴方向、加速 度计敏感轴方向与寻北方向基准（瞄线）矢量一致并和多位置转动轴方向矢量正交，同时要求 解析调平时台面倾斜小于１０。本文用矢量分析的方法对捷联寻北系统中各种矢量更加一般性 的相互关系作了统一描述，并在新的数学框架下对寻北精度进行了分析，在台面倾斜角大于 １０的情况下给出了寻北修正公式。     

无陀螺捷联惯导系统静基座粗对准实用方法

基于一种六加速度计配置方案,给出了载体加速度和角速度的解算公式,并分析了无陀螺捷联惯导系统粗对准原理.在静基座下,针对系统初始对准前得不到载体角速度初始值而导致地球自转角速度在载体坐标系上的分量无法获得的情况,提出了一种可行的、具有实用价值的非完全自主式粗对准方案.依靠外部航向设备得到初始方位姿态,通过加速度计敏感的重力矢量输出获得初始水平姿态,进而解算出载体初始捷联矩阵.误差分析表明,方位粗对准精度不超过2,水平粗调精度在0.3以内.     

舰载机捷联惯导自对准方案设计与仿真

舰船因风浪影响而产生大幅摇摆,使陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅度下降,从而给舰载机的初始对准带来困难.针对这一问题,提出了利用惯性空间中地球重力加速度信息的捷联惯导自主粗对准方法,以及基于模糊自适应卡尔曼滤波的自主精对准方法.粗对准算法中采用了惯性凝固假设,建立了载体惯性坐标系,使舰载机相对坐标系的姿态阵初值成为单位阵,并将姿态阵分散为四个矩阵求解;考虑了舰载机的地理信息、地球的自转、对准初始时刻舰载机相对地球的相对位置,及舰载机相对系的姿态变化等信息,使姿态更新解算成为可能,从而隔离了舰船晃动.精对准中设计了一种模糊自适应卡尔曼滤波器,有效抑制量测中含有的不确定性干扰.理论分析和仿真结果表明,该运动基座上捷联惯导自对准方法能有效地解决舰船系泊和等速航行状态下舰载飞行器的初始对准问题.     

机抖激光陀螺动力学特性研究

在构建激光陀螺捷联系统时,三个激光陀螺安装在同一个基座上.由于三个陀螺振子都在进行高频角振动,激励基座产生耦合振动,造成陀螺是在振动基座环境下工作,引起激光捷联系统的抖动耦合误差,导致系统导航精度下降.采用有限元方法研究了机抖激光陀螺的动力学特性和振动模态,以及机抖激光陀螺的振子抖动对基座的影响和外界激励条件下陀螺的响应.通过压电陶瓷激励下陀螺的频率响应分析,实现了激光陀螺工作状态下的动力学仿真,可以获得陀螺工作时激光陀螺任意位置的动力学响应信息,从而为激光陀螺和基座的结构设计提供评判依据,也为分析激光捷联系统的抖动耦合误差开辟了新途径.