陀螺仪高精度寻北方法

Posted 2020-11-28 better-day

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　　人们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，发明了陀螺仪。那个时代的陀螺仪可以理解成把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上面，这样因为陀螺在高速旋转时保持稳定，人们就可以通过陀螺的方向来辨认方向，确定姿态，计算角速度。

一、陀螺仪的发明

陀螺仪先后被用在航海上和航空上，因为飞机飞在空中，是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的，危险性极高，所以陀螺仪迅速得到了应用，成为飞行仪表的核心。到了第二次世界大战，德国人搞了飞弹去炸英国，从德国飞到英国，千里迢迢怎么让飞弹能击中目标呢？于是，德国人搞出来惯性制导系统。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度，用加速度计测试加速度，然后控制飞行姿态，争取让飞弹落到想去的地方。二战时候，计算机和仪器的精度都是不太够的，所以德国的飞弹偏差很大，想要炸伦敦，结果炸得到处都是，让英国人恐慌了一阵。不过，从此以后，以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天，今天的导弹里面依然有这套东西，而随着需求的刺激，陀螺仪也在不断进化。

二、陀螺仪的进化

最早的陀螺仪都是机械式的，里面真有高速旋转的陀螺，而机械的东西对加工精度有很高的要求，还怕震动，因此机械陀螺仪为基础的导航系统精度一直都不太高。 于是，人们开始寻找更好的办法，利用物理学上的进步，发展出激光陀螺仪，光纤陀螺仪，以及微机电陀螺仪（MEMS）。 这些东西虽然还叫陀螺仪，但是它们的原理和传统的机械陀螺仪已经完全是两码事了。

光纤陀螺仪利用的是萨格纳克(Sagnac)效应，通过光传播的特性，测量光程差计算出旋转的角速度，起到陀螺仪的作用，替代陀螺仪的功能。

激光陀螺仪也是通过算光程差计算角速度，替代陀螺仪。

微机电陀螺仪则是利用物理学的科里奥利力，在内部产生微小的电容变化，然后测量电容，计算出角速度，替代陀螺仪。iPhone和我们的智能手机里面所用的陀螺仪，就是微机电陀螺仪（MEMS）。

目前，传统上的机械陀螺仪正在被淘汰， 有高精度需求的地方用的是激光陀螺仪 。 本来陀螺仪是高大上的存在，但是因为微机电陀螺仪（MEMS）的出现，低成本的陀螺仪可以用在很多领域。除了我们熟悉的智能手机以外，汽车上也用了很多微机电陀螺仪，在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器，用来检测汽车不同部位的工作状态，给行车电脑提供信息，让用户更好的控制汽车。

三、寻北仪的工作原理

它是利用陀螺仪测量地球的自转角速度的分量结合加速度的值，经过计算与真北方向的夹角，从而得到方位值。目前能够测量到地球角速率的陀螺仪有动调、光纤、激光，这些陀螺都可以作为寻北方案。那能用MEMS陀螺仪做寻北吗？NO! 有的MEMS陀螺仪标称精度也很高，达到1度/h、0.5度/h，和动调、光纤的指标不相上下。但是请注意，这个精度指标是陀螺的随机漂移。MEMS陀螺仪的分辨率现在大概能做到0.005度/s就相当不错了，但是地球自转的角速率是15度/h=0.00416度/s，它们在同一数量级上。如果要寻北精度达到1度，分辨率的指标必须优于15度/h两个数量级以上才有可能。陀螺仪的分辨率和随机漂移两个指标都很重要，不要混淆了。结论就是MEMS的分辨率达不到寻北要求，但是随机漂移可以优于15度/h。

四、 目前高精度寻北的几种方法

4.1静态寻北(寻北仪、陀螺寻北仪或光纤陀螺寻北仪)

4.1.1寻北仪(陀螺寻北仪)

原理：陀螺仪自转轴相对于惯性空间保持方位不变，而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪自转轴相对地球转动，因此陀螺仪可以跟踪测量地球自转角速度。

组成：由双自由度动力调谐陀螺，机械转动装置和信号解算电路构成。

案例：SDI-151运用于某型号车辆定向定型运用、雷达定向、某部队研究所批量运用。

寻北精度：0.06度

4.1.2光纤陀螺寻北仪

原理：光纤陀螺寻北仪主要用于快速自主确定真北方向。通过高精度光纤陀螺跟踪获取地球自转角速度，将地球自转角速度信号进行分解解算，计算出陀螺主轴与地球真北向的夹角，为载体提供方位信息。

组成：光纤陀螺寻北仪为机电一体产品，它由一个光纤陀螺仪、加速度计、机械转动控制装置和嵌入式计算机组成。

案例：SDI-161运用于某武器装甲车定型运用。

4.2 动态寻北(光纤陀螺罗经)

4.2.1 光纤陀螺罗经(车载、船载、机载)

原理：运用捷联罗经效应，求解真北向。

组成：三轴动调陀螺、三轴加速度传感器、数据采集处理模块、二次电源、光耦隔离输入输出串口电路、其它相关结构件。

运行：上电开机后产品进入预热时间，预热时间结束后产品在动基座条件下转入初始自对准。产品通电30分钟后，携带产品的载体可在运行。运行时产品将适时输出航向角、横滚角、俯仰角。

案例：SDI-121运用于某船重工、某船研究所。

寻北精度：0.1度

4.3 GPS或北斗寻北(双天线测向)

原理：利用GPS主天线与第二天线之间的基线距离处理得到的高精度二维姿态量信息，它可以实时解算载体的俯仰或横滚，航向等数据，最快可以达到每秒10次。运用案例：SDI-COMPASS运用于中国人民解放军海军的测量船上，中国兵器某所，军工某院校和中国船舶某研究所等重要单位应用。

寻北精度：0.1度(双天线基线2米)