导航原理实验报告

导航原理实验报告

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哈尔滨工业大学航天学院

控制科学实验室

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陀螺仪原理实验报告

实验1 二自由度陀螺仪基本特性验证实验

一、实验目的

1．了解机械陀螺仪的结构特点；

2．对比验证没有通电和通电后的二自由度陀螺仪基本特性表观； 3．深化课堂讲授的有关二自由度陀螺仪基本特性的内容。 二、思考与分析

1． 定轴性

（1） 设陀螺仪的动量矩为H，作用在陀螺仪上的干扰力矩为Md，陀螺仪漂移角

速度为ωd，写出关系式说明动量矩H越大，陀螺漂移越小，陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高.

答案：

?Md??d?H ?Md/Hsin? d干扰力矩Md一定时，动量矩H越大，陀螺仪漂移角速度为ωd越小，陀螺漂移越小，

陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高.

（2） 在陀螺仪原理及其机电结构方而简要蜕明如何提高H的量值?

答案：H?J? 由公式J?2r???dm可知 A提高H的量值有四种途径：

1. 陀螺转子采用密度大的材料,其质量提高了，转动惯量也就提高了。

2. 改变质量分布特性。在质量相同的情况下，若质量分布的半径距质

心越远，H越大。因此将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。即在陀螺电机定子环中，可做成质量集中分布在环外边缘的环形结构，切边缘部分材质密度大，可提高转动惯量。 3. 增大r,可有效提高转动惯量。

4. 另外可通过采用外转子电机来改变电机质量分布，增大r。改变电机

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定转子结构：采用外转子，内定子结构的转子电机。

4. 增加陀螺转子的旋转速度。

??2?n/60?2?(1?s)f/p ，n?60f(1?s)/p

提高电压周波频率 f ?——〉n ?——H ? f=400Hz

适当减少极对数 ，如取p=1

适当减少转差率s，可通过减少转子支承轴承摩擦来实现

2．进动性

(1) 在外框架施加一沿x轴正方向作用力矩时，画出动量矩H的进动方

向及矢量M，ω，H的关系坐标图。(设定H沿Z轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n。

b) 在内框架施加一沿Y轴正方向作用力矩时，画出动量矩H的进动方向及

矢量M，ω,H的关系坐标图。(设定H沿Z轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n。

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(3) 若改变了陀螺仪自转轴的旋转方向 n 即H是沿坐标Z轴的负方向，仍

还是在外框架沿x轴正方向施加一作用力矩时，画出其矢量M，ω，H的关系坐标图。并在坐标图中标出自转轴的旋转方向 n 和 H 的进动方向及陀螺力矩 Mg 的方向。

2．陀螺动力效应

如果人为的用手指向陀螺仪的内框架(内环)施加力矩时，对于陀螺仪内框架(内环)而言，为什么没有表观出陀螺动力效应?

当人为对陀螺内框架施加外力矩时，外力矩通过内框架传递到转子上，陀螺转子产生绕外框架轴的进动。虽然作用在内框架上的陀螺力矩与施加的外力矩大小相等方向相反，

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但是因为陀螺转子绕外框架轴进动，会带动了内框架，随着外框架一起转动。因此陀螺内框架不能表现出陀螺动力效应。

实验2 光纤陀螺工作过程演示实验

一、 实验目的

1. 通过演示实验，加深对Sagnac效应的理解； 2. 了解光纤陀螺陀螺数据采集系统； 3. 掌握光纤陀螺结构及应用； 4. 观察光纤陀螺工作过程. 二、思考与分析

1. 萨格奈克效应是什么？

答案：Sagnac效应是法国科学家G.Sagnac于1913年发现的，它构成了现代光学陀螺——激光陀螺和光纤陀螺的理论基础。在一个任意几何形状的闭合光学环路中，从任意一点发出的沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点时，如果闭合光路在其平面内相对惯性空间有旋转，则两束光波的相位将发生变化，这称为Sagnac效应。

2. 光纤陀螺仪按光路系统的不同分类，分为哪几种？

答案：全光纤陀螺，集成光学光纤陀螺，谐振腔型光纤陀螺。

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3. 光纤环形干涉仪的基本原理是什么？ 答案：

当用光纤环实现闭合光学环路并形成环形干涉仪时，其输出为：

ID?I0(1?cos?S) (1)

式中，I0是入射光的光强；?S是旋转引起的相位变化，也称为Sagnac相移，它与旋转角速率?的关系为：

?S?4?RL???0c (2)

式中，L为光纤长度；R为光纤环的半径；

?0为光波长；c为真空中的光速。光纤环形

干涉仪的优势是可以采用多匝光路来增强Sagnac相移，此时(1)式中的光纤长度L?2πRN，N是光纤线圈的匝数。联合式（1）和（2），就能够通过检测干涉光强的变化来感知转速。

4. 光纤陀螺仪的基本构成和光路传导过程是什么？

答案：光路系统主要由光源，光检测器，分束器，偏振器，空间滤波器，相位调制器，光

纤线圈。

5. 光纤陀螺测的是那个方向的转动角速率？

测量的是地球自转角速率在垂直于光纤陀螺腔体方向的分量。

实验3 陀螺稳定平台结构展示实验

一、 实验目的

1．了解单轴双陀螺稳定平台的结构及特点； 2．了解双轴陀螺稳定平台的结构及特点； 3. 加深对陀螺稳定平台工作原理的理解。 二、思考与分析

1. 陀螺稳定平台的分类？

陀螺稳定平台按其稳定的轴数，又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。按选作陀螺稳定平台（下面简称平台）敏感元件的不同，可分为气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台等。

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2. 陀螺稳定平台有哪两种基本作用？

答案：一是稳定作用，即能隔离运载体的角运动。平台稳定系统产生稳定力矩来抵消运载体运动对平台的干扰力矩，阻止平台相对惯性空间转动。

二是修正作用，即能控制平台按照所需的角运动规律相对于惯性空间运动。例如，稳定平台要模拟当地水平面时，平台在保持稳定的同时，还必须进行修正，以跟踪当地水平面相对惯性空间的运动。

3. 测量元件对惯导平台的性能有何影响？如何处理？

答案1：由于加速度计的常值零位误差，陀螺的常值漂移角速度，都可以产生平台误差角，产生平台漂移，影响惯导平台控制精度。

此外平台还有初始安装误差角及初始速度的装订误差。这些误差都具有振荡特性，均以84.4分钟的周期振荡。因此，当导航系统的使用时间接近或超过半个舒拉周期以上时，便要设法将上述无阻尼振荡现象加以衰减，使其达到稳定状态，才能比较精确地进行定位与导航。

答案2：陀螺漂移将产生陀螺干扰力矩，使惯导平台产生失准角，进而影响惯导平台控制精度。由于陀螺漂移带来的误差无界，且无法补偿，所以陀螺的精度最终决定了惯导平台的精度。

4. 简述双轴陀螺稳定平台的结构？

双轴陀螺稳定平台由主要由平台台体、框架系统（即内框架、外框架和基座）、稳定系统（由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成，又称稳定回路、伺服回路）以及修正系统（包括平台台体上的加速度计、液位开关）构成框架式结构。陀螺马达分别装在陀螺房中，陀螺房轴为进动轴，两进动轴互相垂直，通过连杆与修正电机相接，与装在平台下的液位开关构成修正回路。稳定轴为X、Y，它

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们相互垂直，分别通过减速器与稳定电机相连，两个稳定电机的驱动信号来自绕在陀螺房上的陀螺信号传感器。

实验4 GPS性能指标验证实验

一、 实验目的

1．了解GPS导航系统的工作原理； 2． 加深对GPS导航系统课堂内容的理解。 二、思考与分析

1.举例说明在实际应用中有哪几种导航系统？

答案：惯性导航系统，多普勒系统，天文导航系统，卫星导航系统，地形辅助导航系统及组合导航系统等。

GPS导航系统：应用在车载导航仪上； GPS/INS/CNS导航系统：应用在洲际导弹上； GPS/INS/TAN：应用在巡航导弹上； 无线电导航：应用在机场飞机起降上； AGPS导航：手机上

2.卫星导航系统（GPS） 和惯性导航系统的组合是一种非常完美的组合方式，但是，为什么世界各国在组合导航系统的构成上，选用多种类导航系统的组合？

答案：由于GPS系统的应用受卫星所有权国家的控制，因此，不同国家的用户，为了寻求使用上的安全性，在组合导航系统的构成上，选用多种类导航系统的组合。

3、按附表格式整理实验数据。

附表1（可视卫星数为4）

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（注：接收位置处信号的载波频率为ω，它与发射信号的频率ω0的区别是有一个多普勒频移，这是由于导航卫星和接收机天线的相对运动造成的。多普勒频移

Dopple?r???0??离。

?0DC.，C其中为无线电波传播速度；D为接收机与发射机之间距

2、对附表1中的数据进行分析，总结接收机位置解算结果的精度同哪些因素有关? 主导因素是什么?

1）定位精度因子DOP的数值、电离层延迟、对流层误差、卫星钟差、星历预报误差以及接收机在测量中产生的测量误差。

主导因素是定位精度因子DOP

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结构特点?

1 陀螺转子、2 内、外框架、导电环、电缆线、基座、电源等

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