測量與傳感器方位角測量課時

方位角的測量：前面介紹的大氣參數(shù)測量、慣性量測量具有一個特點：這些測量量是為了獲取飛機自身的姿態(tài)或特性為目的的。但是，無論商業(yè)飛行還是軍事飛行，飛機的飛行都必須以地理坐標(biāo)作為參考，也就是說，飛機自身姿態(tài)我們可以機體坐標(biāo)系作為參考，但飛機在大氣空間飛行時，必須以地球坐標(biāo)系作為參考。因此，我們還需確定飛機在地球坐標(biāo)系空間中的位置和它的相對運動方向。那么，為了確定飛機在地球坐標(biāo)系中的位置和它的相對運動方向，我們需要哪些參量呢？航向；經(jīng)度和緯度；高度。下面我們要介紹就是這些能確定飛機與地球相對位置的參量的測量方法。5/22/20232方位角的測量：我們首先介紹的方位角的測量。定義：也稱為航向角，是指飛機縱軸在水平面上的投影與指北線之間的夾角。對于選取不同的指北線作為參考基準(zhǔn)，我們可以得到不同的航向角定義，如：真航向角（以地理子午線作為參考基準(zhǔn)）；磁航向角（以磁子午線作為參考基準(zhǔn)）。以上兩個航向角是存在偏差，且在地球的不同位置，其差值是不同的，兩者的差值稱為磁偏角。5/22/20233方位角的測量：磁偏角是由于地磁南北極與地理南北極不重合所導(dǎo)致的。另外，由于磁極繞地極作緩慢的周期性運動，磁偏角因地不同之外，同一地點的磁偏角隨著時間的推移，也會產(chǎn)生變化。在專門繪制的導(dǎo)航地圖中注有各地的磁差修正量。5/22/20234方位角的測量：測量方法及儀器：指南針，羅經(jīng)，磁羅盤：

在高緯度地區(qū)地磁水平分量很弱，它對水平懸掛的磁棒的定向作用很小。因此，在地球兩極地區(qū)，磁羅盤不能應(yīng)用。另外，將磁羅盤安裝在機體上后，由于機體上可能存在磁性鐵質(zhì)材料，也會導(dǎo)致磁羅盤的指示偏差。四大發(fā)明之一5/22/20235方位角的測量：測量方法及儀器：航向陀螺儀:基本組成：二自由度陀螺+？陀螺轉(zhuǎn)子；內(nèi)環(huán)；外環(huán)；水平修正液體開關(guān)；方位修正力矩電機；水平修正力矩電機。工作原理：外環(huán)軸垂直安裝；自轉(zhuǎn)軸調(diào)整至指北線（真北）方向。飛機在向正北穩(wěn)定飛行時，其內(nèi)外環(huán)均無狀態(tài)改變；當(dāng)飛機偏離正北，存在一個航向角θ時，由于轉(zhuǎn)子定軸性的原因，其自轉(zhuǎn)軸仍穩(wěn)定指向指北線方向，但外環(huán)卻繞外環(huán)軸相對機體偏離了對應(yīng)角度θ。只要在外環(huán)與機體之間安裝一個電位器，即可線性測出角度的大小。5/22/20236方位角的測量：測量方法及儀器：航向陀螺儀:應(yīng)用問題：由于飛機所在位置的地理北向隨著地球自轉(zhuǎn)和飛機的運動而不斷地相對于慣性空間轉(zhuǎn)動，另外，還有陀螺本身也存在漂移。這時會存在以下問題和現(xiàn)象：自轉(zhuǎn)軸繞內(nèi)環(huán)軸逐漸偏離水平面，即內(nèi)環(huán)（自轉(zhuǎn)軸）逐漸不能保持水平狀態(tài)；自轉(zhuǎn)軸繞外環(huán)軸逐漸偏離子午面，即自轉(zhuǎn)軸逐漸不能指向指北線（真北）方向。所以，為了讓其能穩(wěn)定地工作，必須要加入水平修正裝置和方位修正裝置來消除以上兩個逐漸偏離所導(dǎo)致的航向角測量誤差，航向陀螺儀才能投入正式使用。另外，由于表觀運動的影響，航向陀螺儀（的自轉(zhuǎn)軸）在飛機飛行過程中還是會逐步偏離子午線，但其不能完全自動完成指北修正，它需要飛行員根據(jù)磁羅盤（確切說應(yīng)該是高精度的陀螺磁羅盤或其他航向角測量儀表）的指示航向角對其進行手動修正，所以它又稱為半羅盤。航向陀螺儀在長時間內(nèi)測量航向的精度較低，故常用來測量飛機轉(zhuǎn)彎時航向角的變化。5/22/20237方位角的測量：測量方法及儀器：航向陀螺儀:水平修正：右圖為水平修正裝置，其由液體開關(guān)和力矩電機組成。液體開關(guān)安裝在內(nèi)環(huán)上，可用于感受內(nèi)環(huán)是否水平，其內(nèi)部填充導(dǎo)電液體。力矩電機的輸出軸與外環(huán)軸重合安裝，用于向陀螺轉(zhuǎn)子提供進動力矩。工作過程如下：當(dāng)水平時，液體開關(guān)的兩個支路電阻相同，力矩電機兩個反相繞組通過電流相等，無輸出（修正）力矩；當(dāng)傾斜時，液體開關(guān)的兩個支路電阻存在差值，導(dǎo)致力矩電機兩個反相繞組通過電流不相等，其輸出（修正）力矩，從而引起陀螺轉(zhuǎn)子不斷進動，直至再次水平。

思考一下！水平修正力矩電機產(chǎn)生逆時針力矩后，陀螺自轉(zhuǎn)軸怎樣運動？順時針呢？5/22/20238方位角的測量：測量方法及儀器：航向陀螺儀:方位修正：參見右圖，方位修正電機的輸出軸與內(nèi)環(huán)軸重合安裝，另外還包括兩個電位計（圖中未畫出）。工作過程如下：這兩個電位器分別為緯度修正電位計和平衡校正電位計，兩者組成一個電橋。其中，緯度修正電位計給出地球自轉(zhuǎn)誤差信號，平衡校正電位計給出陀螺漂移誤差補償信號。當(dāng)飛機出現(xiàn)方位偏離時，飛行員可通過操作面板的旋鈕對兩個電位器進行調(diào)整，使自轉(zhuǎn)軸又重新指向真北方向。

5/22/20239方位角的測量：測量方法及儀器：航向陀螺儀:實物示例：

5/22/202310方位角的測量：測量方法及儀器：陀螺磁羅盤：基本磁羅盤的工作原理：幾個概念：磁羅經(jīng)：指南針的改進。電羅經(jīng)：即本節(jié)所講的陀螺磁羅盤；羅差：羅盤經(jīng)線北向與磁北之間的差值；磁羅盤缺點：穩(wěn)定性差，易擺動；高緯度地區(qū)精度差；易被鐵材料磁化干擾。磁羅盤優(yōu)點：簡單；可直接測量磁航向。5/22/202311方位角的測量：測量方法及儀器：陀螺磁羅盤：為了解決磁羅盤穩(wěn)定性差的問題，可借入航向陀螺儀（陀螺半羅盤）穩(wěn)定好的特點，同時可解決半羅盤不能自動指北的不足，將兩者結(jié)合起來，制造了既能獨立測量航向，又具有良好穩(wěn)定性和較高靈敏度的航向儀表，即為陀螺磁羅盤。陀螺磁羅盤基本構(gòu)成：磁傳感器；陀螺機構(gòu)；指示器；具備航向跟蹤能力的伺服同步裝置，包括磁電位器、放大器、協(xié)調(diào)電動機、減速器和陀螺電位器。

三個固定抽頭不動，但起到穩(wěn)定作用外環(huán)軸可旋轉(zhuǎn)，引起與電刷的相對運動參考電源三個可動電刷5/22/202312方位角的測量：測量方法及儀器：陀螺磁羅盤：陀螺磁羅盤工作原理及過程：磁傳感器感受地磁，并通過一同步傳送裝置帶動磁電位計電刷沿磁電位器滑動，即磁電位器復(fù)現(xiàn)了磁航向信息；磁電位器的參考電壓是來自于陀螺電位器的可動電刷，所以磁電位器的輸出失調(diào)電壓除了與自身電刷位置（即磁航向）有關(guān)外，還與陀螺電位器的電刷位置有關(guān)。5/22/202313方位角的測量：測量方法及儀器：陀螺磁羅盤：陀螺磁羅盤工作原理：正常出廠的陀螺磁羅盤，會被調(diào)校正確。例如，當(dāng)磁航向為零時：磁電位器電刷處于初始位置；航向陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸也會指向磁航向指北位置（以此為例敘述）；陀螺電位器電刷也會處于初始位置，并加上參考電壓Vref;則參考電壓Vref通過陀螺電位器電刷分壓后產(chǎn)生電壓Vd，該電壓會確保如下狀態(tài)，指示器位置伺服系統(tǒng)接收Vd，帶動指示器伺服機構(gòu)運動，并指示磁航向為0；Vd施加在磁電位器的固定抽頭上，并有磁電位器輸出失調(diào)電壓Vab=0。這時，整個陀螺磁羅盤無變化；當(dāng)存在航向角時，首先是磁傳感器迅速反映，帶動磁電位器電刷運動，這時Vab不為0，該電壓經(jīng)放大器進行功率放大后驅(qū)動協(xié)調(diào)電動機帶動陀螺電位器電刷運動，改變了Vd電壓，這一電壓變化會使Vab逐漸趨于零，當(dāng)趨于零后，重新進行穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但此時Vd電壓已改變，又會帶動指示器伺服機構(gòu)運動，是指示器指針指向新的航向角示值。5/22/202314方位角的測量：測量方法及儀器：陀螺磁羅盤：總結(jié)及結(jié)論：陀螺磁羅盤是航向陀螺儀（半羅盤，陀螺羅盤）和磁羅盤的組合，解決了航向陀螺儀不能自動指北和磁羅盤穩(wěn)定性差