加速度计在非陀螺寻北系统中的应用研究

　　传统的寻北系统采用气浮速率陀螺、动力调谐陀螺、环型激光陀螺、光纤陀螺以及静电陀螺等作为惯性器件来完成对地球速率的检测,成本很高。随着加速度计制造精度的进一步提高,20世纪80年代出现了非陀螺惯性测量单元。将加速度计应用于寻北系统,可使整体设备具有操作简单、快速、定向精度高、价格便宜等特点,这是其他定向方法所不及的。

　　1　非陀螺寻北系统的设计

　　1·1　寻北系统的基本原理

　　通过研究发现,假定地球仅有匀速自旋运动的情况下,在地球表面可将地球自转角速度ωE分解为2个分量,如图1所示,水平分量ωN=ωEcosλ沿地球经线指向真北,垂直分量ωV=ωEsinλ沿地球垂线垂直向上(λ为纬度角)。可见,利用惯性技术测量或敏感地球自转角速度的水平分量可以获得地球的北向信息,这就是寻北系统的基本原理[1]。

　　1·2　非陀螺寻北系统的工作机理

　　地球上的物体相对于地球运动,而地球又绕地轴自转,因而组成了复合运动。本文所讨论的寻北系统方案,正是利用地球自转这一实际情况,以地球作为动参考系(牵连运动),构造一个水平的恒速转台,以转台边缘的某个切点为参考点(相对运动),其切向速度与地球自转角速度的北向分量形成复合运动产生哥氏加速度。通过转台动态调制,地球自转角速度的北向分量与该点上切向速度复合生成的哥氏加速度输出为一正弦信号,通过检测出该正弦信号的峰值所对应的相位,即为地球上所在位置的正北方向[2],其基本原理如图2所示。

　　2　石英挠性摆式加速度计基本工作原理

　　加速度计是通过测量检测质量所受的惯性力来间接测量载体的加速度。

　　石英挠性摆式加速度计采用挠性构件支撑摆组件,即采用整体式圆舌形石英摆片作为检测质量构成单摆,摆片和挠性杆构成一个整体,在加速度作用下绕输出轴作角位移。挠性加速度计结构如图3所示[3]。

　　当具有摆性的挠性支承检测质量m受到沿其敏感轴加速度a的作用时,便产生与加速度方向相反的惯性力矩mR,此力矩使检测质量绕其挠性梁的转轴转动,传感器敏感出检测质量产生的位移,以电信号形式输出给伺服回路校正放大,以电流的形式传递给力矩器线圈,载流线圈在磁场的作用下,产生反馈电磁平衡力矩KIA与惯性力矩相反,在摆上产生稳定的力平衡。IA的大小就成为加速度的度量值。

　　3　加速度计在寻北系统的应用

　　3·1　测量地球自转的北向分量

　　在动态寻北方案中,用于寻北的加速度计的实际输出为一正弦模拟信号,其输出曲线如图4所示。