测量与传感器-4(方位角测量-2课时).ppt

3.方位角的测量：方位角的测量：前面介绍的大气参数测量、惯性量测量具有一个特点：前面介绍的大气参数测量、惯性量测量具有一个特点：但是，无论商业飞行还是军事飞行，飞机的飞行都必须但是，无论商业飞行还是军事飞行，飞机的飞行都必须以地理坐标作为以地理坐标作为参考参考，也就是说，飞机自身姿态我们可以，也就是说，飞机自身姿态我们可以机体坐标系机体坐标系作为参考，但飞机在大作为参考，但飞机在大气空间飞行时，必须以气空间飞行时，必须以地球坐标系地球坐标系作为参考。因此，我们作为参考。因此，我们还需确定飞机在地还需确定飞机在地球坐标系空间中的位置和它的相对运动方向球坐标系空间中的位置和它的相对运动方向。那么，为了确定飞机在地球坐标系中的位置和它的相对运动方向，我们那么，为了确定飞机在地球坐标系中的位置和它的相对运动方向，我们需要哪些参量呢？需要哪些参量呢？p航向；航向；p经度和纬度；经度和纬度；p高度高度。2/19/202323.方位角的测量：方位角的测量：我们首先介绍的方位角的测量。我们首先介绍的方位角的测量。定义定义：也称为航向角，是指飞机纵轴在水平面上的投影与指北线之间的夹角。：也称为航向角，是指飞机纵轴在水平面上的投影与指北线之间的夹角。对于选取不同的指北线作为参考基准，我们可以得到不同的航向角定义，如：对于选取不同的指北线作为参考基准，我们可以得到不同的航向角定义，如：A.真航向角（以真航向角（以地理子午线地理子午线作为参考基准）；作为参考基准）；B.磁航向角（以磁航向角（以磁子午线磁子午线作为参考基准）。作为参考基准）。以上两个航向角是存在偏差，且在地球的不同位置，其差值是不同的，两以上两个航向角是存在偏差，且在地球的不同位置，其差值是不同的，两者的差值称为者的差值称为磁偏角磁偏角。2/19/202333.方位角的测量：方位角的测量：磁偏角是由于地磁南北极与地理南北极不重合所导致的。另外，由于磁磁偏角是由于地磁南北极与地理南北极不重合所导致的。另外，由于磁极绕地极作缓慢的周期性运动，磁偏角因地不同之外，同一地点的磁偏角极绕地极作缓慢的周期性运动，磁偏角因地不同之外，同一地点的磁偏角随随着时间的推移，也会产生变化着时间的推移，也会产生变化。在专门绘制的导航地图中注有各地的磁差修。在专门绘制的导航地图中注有各地的磁差修正量。正量。2/19/202343.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：A.指南针，罗经，磁罗盘：指南针，罗经，磁罗盘：在高纬度地区地磁水平分量很弱，它对水平悬挂的磁棒的定向作用很小。在高纬度地区地磁水平分量很弱，它对水平悬挂的磁棒的定向作用很小。因此，在地球两极地区，磁罗盘不能应用。另外，将磁罗盘安装在机体上后，因此，在地球两极地区，磁罗盘不能应用。另外，将磁罗盘安装在机体上后，由于机体上可能存在磁性铁质材料，也会导致磁罗盘的指示偏差。由于机体上可能存在磁性铁质材料，也会导致磁罗盘的指示偏差。2/19/202353.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：B.航向陀螺仪航向陀螺仪:C.基本组成基本组成：二自由度陀螺：二自由度陀螺+？1.陀螺转子；陀螺转子；2.内环；内环；3.外环；外环；4.水平修正液体开关；水平修正液体开关；5.方位修正力矩电机；方位修正力矩电机；6.水平修正力矩电机。水平修正力矩电机。7.工作原理工作原理：a)外环轴外环轴 垂直安装；垂直安装；b)自转轴调整至指北线（真北）方向。自转轴调整至指北线（真北）方向。c)飞机在向正北稳定飞行时，其内外环均无状态改变；当飞机偏离正北，飞机在向正北稳定飞行时，其内外环均无状态改变；当飞机偏离正北，存在一个航向角存在一个航向角时，由于转子定轴性的原因，其自转轴仍稳定指向指北线方时，由于转子定轴性的原因，其自转轴仍稳定指向指北线方向，但外环却绕外环轴相对机体偏离了对应角度向，但外环却绕外环轴相对机体偏离了对应角度。只要在外环与机体之间安只要在外环与机体之间安装一个电位器，即可线性测出角度的大小。装一个电位器，即可线性测出角度的大小。2/19/202363.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：B.航向陀螺仪航向陀螺仪:C.应用问题应用问题：由于飞机所在位置的由于飞机所在位置的地理北向随着地球自转和飞机的运动地理北向随着地球自转和飞机的运动而不断地相对于而不断地相对于惯性空间转动，另外，还有陀螺本身惯性空间转动，另外，还有陀螺本身也存在漂移也存在漂移。这时会存在以下问题和现。这时会存在以下问题和现象：象：a)自转轴绕自转轴绕内环轴内环轴逐渐偏离水平面，即逐渐偏离水平面，即内环（自转轴）逐渐不能保持水平状态内环（自转轴）逐渐不能保持水平状态；b)自转轴绕自转轴绕外环轴外环轴逐渐偏离子午面，即逐渐偏离子午面，即自转轴逐渐不能指向指北线（真北）方自转轴逐渐不能指向指北线（真北）方向向。所以，为了让其能稳定地工作，必须要加入所以，为了让其能稳定地工作，必须要加入水平修正装置水平修正装置和和方位修正装置方位修正装置来消除以上两个逐渐偏离所导致的航向角测量误差，航向陀螺仪才能投入正来消除以上两个逐渐偏离所导致的航向角测量误差，航向陀螺仪才能投入正式使用。式使用。另外，由于表观运动的影响，航向陀螺仪（的自转轴）在飞机飞行过程中另外，由于表观运动的影响，航向陀螺仪（的自转轴）在飞机飞行过程中还是会逐步偏离子午线，但其不能还是会逐步偏离子午线，但其不能完全完全自动完成指北修正，它需要飞行员根自动完成指北修正，它需要飞行员根据磁罗盘（确切说应该是高精度的陀螺磁罗盘或其他航向角测量仪表）的指据磁罗盘（确切说应该是高精度的陀螺磁罗盘或其他航向角测量仪表）的指示航向角对其进行手动修正，所以它又称为示航向角对其进行手动修正，所以它又称为半罗盘半罗盘。航向陀螺仪在长时间内测量航向的精度较低，故常用来测量飞机转弯时航向陀螺仪在长时间内测量航向的精度较低，故常用来测量飞机转弯时航向角航向角的变化。的变化。2/19/202373.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：B.航向陀螺仪航向陀螺仪:C.水平修正水平修正：右图为水平修正装置，其：右图为水平修正装置，其由液体开关和力矩电机组成。由液体开关和力矩电机组成。液体开关安装在液体开关安装在内环内环上，可用于感上，可用于感受内环是否水平，其内部填充导电液体。受内环是否水平，其内部填充导电液体。力矩电机的力矩电机的输出轴与外环轴重合安输出轴与外环轴重合安装装，用于向陀螺转子提供进动力矩。工，用于向陀螺转子提供进动力矩。工作过程如下：作过程如下：a)当水平时，液体开关的两个支路电阻相同，力矩电机两个反相绕组通过电流当水平时，液体开关的两个支路电阻相同，力矩电机两个反相绕组通过电流相等，无输出（修正）力矩；相等，无输出（修正）力矩；b)当倾斜时，液体开关的两个支路电阻存在差值，导致力矩电机两个反相绕组当倾斜时，液体开关的两个支路电阻存在差值，导致力矩电机两个反相绕组通过电流不相等，其输出（修正）力矩，从而引起陀螺转子不断进动，直至通过电流不相等，其输出（修正）力矩，从而引起陀螺转子不断进动，直至再次水平。再次水平。2/19/202383.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：B.航向陀螺仪航向陀螺仪:C.方位修正方位修正：参见右图，方位修正：参见右图，方位修正电机的电机的输出轴与内环轴重合输出轴与内环轴重合安装，另安装，另外还包括两个电位计（图中未画出）。外还包括两个电位计（图中未画出）。工作过程如下：工作过程如下：这两个电位器分别为纬度修正电这两个电位器分别为纬度修正电位计和平衡校正电位计，两者组成一位计和平衡校正电位计，两者组成一个电桥。其中，纬度修正电位计给出个电桥。其中，纬度修正电位计给出地球自转误差信号地球自转误差信号，平衡校正电位计，平衡校正电位计给出给出陀螺漂移误差补偿信号陀螺漂移误差补偿信号。当飞机出现方位偏离时，飞行员当飞机出现方位偏离时，飞行员可通过操作面板的旋钮对两个电位器进行可通过操作面板的旋钮对两个电位器进行调整，使自转轴又重新指向真北方向。调整，使自转轴又重新指向真北方向。2/19/202393.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：B.航向陀螺仪航向陀螺仪:C.实物示例实物示例：2/19/2023103.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：C.陀螺磁罗盘：陀螺磁罗盘：D.基本磁罗盘的工作原理：基本磁罗盘的工作原理：几个概念：a)磁罗经：指南针的改b)进。b)电罗经：即本节所讲的陀螺磁罗盘；c)罗差：罗盘经线北向与磁北之间的差值；磁罗盘缺点：a)稳定性差，易摆动；b)高纬度地区精度差；c)易被铁材料磁化干扰。d)磁罗盘优点：e)简单；f)可直接测量磁航向。2/19/2023113.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：C.陀螺磁罗盘：陀螺磁罗盘：为了解决磁罗盘稳定性差的问题，可借入航向陀螺仪（陀螺半罗盘）稳定为了解决磁罗盘稳定性差的问题，可借入航向陀螺仪（陀螺半罗盘）稳定好的特点，同时可解决半罗盘不能自动指北的不足，将两者结合起来，制造好的特点，同时可解决半罗盘不能自动指北的不足，将两者结合起来，制造了既能独立测量航向，又具有良好稳定性和较高灵敏度的航向仪表，即为了既能独立测量航向，又具有良好稳定性和较高灵敏度的航向仪表，即为陀陀螺磁罗盘螺磁罗盘。p陀螺磁罗盘基本构成陀螺磁罗盘基本构成：a)磁传感器；磁传感器；b)陀螺机构；陀螺机构；c)指示器；指示器；d)具备航向跟踪能力的伺具备航向跟踪能力的伺e)服同步装置，包括磁电位服同步装置，包括磁电位f)器、放大器、协调电动机、器、放大器、协调电动机、g)减速器和陀螺电位器。减速器和陀螺电位器。三个固定抽头三个固定抽头不动，但起到不动，但起到稳定作用稳定作用外环轴可旋转，外环轴可旋转，引起与电刷的引起与电刷的相对运动相对运动参考电源参考电源三个可动电刷三个可动电刷2/19/2023123.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：C.陀螺磁罗盘：陀螺磁罗盘：D.陀螺磁罗盘工作原理及过程陀螺磁罗盘工作原理及过程：a)磁传感器感受地磁，并通过一磁传感器感受地磁，并通过一b)同步传送装置带动磁电位计电刷沿同步传送装置带动磁电位计电刷沿c)磁电位器滑动，即磁电位器复现了磁电位器滑动，即磁电位器复现了d)磁航向信息；磁航向信息；b)磁电位器的参考电压是来自于磁电位器的参考电压是来自于c)陀螺电位器的可动电刷，所以磁电位器的输出失调电压除了与自身电刷位置陀螺电位器的可动电刷，所以磁电位器的输出失调电压除了与自身电刷位置（即（即d)磁航向）有关外，还与陀螺电位器的电刷位置有关。磁航向）有关外，还与陀螺电位器的电刷位置有关。2/19/2023133.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：C.陀螺磁罗盘：陀螺磁罗盘：D.陀螺磁罗盘工作原理陀螺磁罗盘工作原理：正常出厂的陀螺磁罗盘，会被调校正确。例如，当磁航向为零时：正常出厂的陀螺磁罗盘，会被调校正确。例如，当磁航向为零时：a)磁电位器电刷处于初始位置；磁电位器电刷处于初始位置；b)航向陀螺仪的自转轴也会指向磁航向指北位置（航向陀螺仪的自转轴也会指向磁航向指北位置（以此为例叙述以此为例叙述）；）；c)陀螺电位器电刷也会处于初始位置，并加上参考电压陀螺电位器电刷也会处于初始位置，并加上参考电压Vref;d)则参考电压则参考电压Vref通过陀螺电位器电刷分压后产生电压通过陀螺电位器电刷分压后产生电压Vd，该电压会确保如下，该电压会确保如下状态，状态，指示器位置伺服系统接收指示器位置伺服系统接收Vd，带动指示器伺服机构运动，并指示磁航，带动指示器伺服机构运动，并指示磁航向为向为0；Vd 施加在磁电位器的固定抽头上，并有磁电位器输出失调电压施加在磁电位器的固定抽头上，并有磁电位器输出失调电压Vab=0。这时，整个陀螺磁罗盘无变化；这时，整个陀螺磁罗盘无变化；e)当存在航向角时，首先是磁传感器迅速反映，带动磁电位器电刷运动，这时当存在航向角时，首先是磁传感器迅速反映，带动磁电位器电刷运动，这时Vab不为不为0，该电压经放大器进行功率放大后驱动协调电动机带动陀螺电位器，该电压经放大器进行功率放大后驱动协调电动机带动陀螺电位器电刷运动，改变了电刷运动，改变了Vd电压，这一电压变化会使电压，这一电压变化会使Vab逐渐趋于零，当趋于零后，逐渐趋于零，当趋于零后，重新进行稳定平衡状态。重新进行稳定平衡状态。f)但此时但此时Vd电压已改变，又会带动指示器伺服机构运动，是指示器指针指向新电压已改变，又会带动指示器伺服机构运动，是指示器指针指向新的航向角示值。的航向角示值。2/19/2023143.方位角的测量：方位角的测量：测量方法及仪器测量方法及仪器：C.陀螺磁罗盘：陀螺磁罗盘：D.总结及结论总结及结论：a)陀螺磁罗盘是航向陀螺仪（半罗盘，陀螺罗盘）和磁罗盘的组合，解决了航陀螺磁罗盘是航向陀螺仪（半罗盘，陀螺罗盘）和磁罗盘的组合，解决了航向陀螺仪不能自动指北和磁罗盘稳定性差的缺点；向陀螺仪不能自动指北和磁罗盘稳定性差的缺点；b)磁罗盘的磁电位器相当于磁罗盘的磁电位器相当于位置指令给定器位置指令给定器和和误差发生器误差发生器，陀螺电位器，陀螺电位器电刷位电刷位置置实际是被控对象，伺服同步装置是实际是被控对象，伺服同步装置是位置控制执行环节位置控制执行环节，电刷及抽头等相当，电刷及抽头等相当于于反馈元件反馈元件，陀螺电位器输出电压是，陀螺电位器输出电压是反馈电压反馈电压，最终实现跟随磁传感器感受，最终实现跟随磁传感器感受量的随动控制；量的随动控制；c)当在指示器上增加一个调节装置，把磁偏角修正量叠加到磁航向中，指示器当在指示器上增加一个调节装置，把磁偏角修正量叠加到磁航向中，指示器显示的就是真航向。显示的就是真航向。2/19/202315