１概述　陀螺寻北技术概述　

技术中心赵治伟　厂办许卫东　

从古至今，人们都有定方向的要求。早在　

几千年前，中国的四大发明之一——指南针，　

就是我们的祖先用来定方向的重要工具之　

近几百年来，在陆地、航海、航空等领域，　

无论是民用还是军用，都不能离开确定方向　

的问题，而且，对定向还提出了越来越高的精　

度要求。随着科学技术尤其是电子计算机技　

术的突飞猛进，近几十年来，多种类型高精度　

的定向寻北设备不断的出现。发展趋势是向　

自动化、快速、高精度方向发展。　

军用战车，如火炮、坦克、导弹发射车等，　

对自身的性能要求越来越高，只有工作的快　

速准确和灵活可靠，并能适应任何恶劣的气　

候和复杂的战场环境，才能在现代战场上争　

取到主动权，从而顺利完成任务。由于现代战　

争所要求的快速性和机动性，重火器必须要　

进入阵地就打，而打完就能撤离。这样，能快　

速确定自身方位和坐标的自主式陆地车辆导　

航系统便具有了非同寻常的意义。为此，国内　

外许多单位除了努力提高车辆自身的性能以　

外，都在积极研制自主式陆地车辆导航系统。　

我厂和北京理工大学共同研制的陆地车辆定　

位定向导航系统就是这样一种具有一定先进　

性的导航系统。寻北仪为陆地车辆导航系统　

提供航向基准，它的精度直接影响着整个导　

航系统的精度。因此，寻北仪是陆地车辆导航　

系统中的关键部件之一。当寻北仪用于间接　

宝成科技　瞄准的武器设备时，由于它具有很好的机动　

性，可以在许多未知地点更加灵活地工作，提　

高了武器装备的适应性和生存能力。　

捷联式寻北仪是寻北技术的新发展。以　

前采用吊丝（摆式）或平台式寻北，吊丝摆式　

寻北仪虽然比较成熟，而且寻北精度也较高，　

但是操作复杂不易实现自动化，也不便于在　

车上使用；平台式寻北仪是个复杂的精密机　

电设备，其造价高，调试与维护较困难，也限　

制了它的应用。捷联式寻北仪抛弃了复杂的　

机电平台，以数学解算的方法自动实现寻北　

的功能，使寻北仪的成本下降，可靠性提高。　

并且软件具有可更新的特性，可以用新的算　

法来不断提高和扩展它的功能。　

２‘国外研制现状　

陀螺寻北技术是定向导航领域的重要组　

成部分，是现代工程作业及信息化战争中确　

保武器系统快速、机动精确打击的重要保障　

技术之一。因此，国际上众多发达国家均在研　

制高性能战略、战术武器的同时，也投入大量　

的人力、物力研制开发高精度、快速寻北系　

统。　

寻北仪是战略、战术、战役阵地机动发射　

的理想定向设备，可为导弹、雷达、火炮和车　

辆等提供方位基准。一般导弹机动发射要求　

定向时间小于１０分钟，定向精度在几角秒到　

１角分以内；战役阵地发射要求定向时间小　

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于５分钟，定向精度在几十角秒到１密位左　

右（１密位＝３．６角分）。　

寻北仪在军事上的需求越来越迫切的同　

表１　时，在隧道施工、矿山开采、大地测量、资源勘　

测等民用工程中也越来越显示出广阔的应用　

前景。表１介绍了国外常见寻北仪的简况。　

名　称　厂家　精度　反应时间　备注　

美国空军地球物理　ＡＡＭＳ　士２１”　８０ｒａｉｎ　实验室和波士顿大学　

ＭＡＲＣＳ陀螺指北仪　美国利尔宇航设备公司　士２　１０ｒａｉｎ　吊丝　

ＭＷ７７　德国ＷＢＫ　士５”　ｌ０ｒａｉｎ　吊丝　

ＧＹＲＯＭＡＸ·２０００陀螺指北仪　德国ＷＢＫ矿山研究所　士３　（１８）　９ｒａｉｎ　吊丝　

ＮＳＫ５Ｏ　德国ＴＥＬＤＩＸ　士１　４ｍｉｎ　

ＮＦＭ指北装置　德国利顿公司　２　２．４ｍｉｎ　动调陀螺　

ＭＯＭＧ１一Ｂ２１　ＧＹＭＯＧ１一Ｂ１Ａ　匈牙利光学仪器厂　士３　吊丝　

ＧＩ一００１陀螺指北仪　匈牙利ＭＯＭ光学厂　３～５”（１艿）　３０ｒａｉｎ　吊丝　

ＦＫ３０陀螺指北仪　乌克兰中央设计局　３０”　３ｍＩｎ　磁悬浮陀螺摆式　

ＰＴ３陀螺指北仪　乌克兰中央设计局　３”　７ｒａｉｎ　磁悬浮陀螺摆式　

ＧＳ９０８自动子午线　英飞机公司　＜３　４ｒａｉｎ　静压气浮　

指示仪　陀螺摆式　

光纤陀螺动态寻北仪　韩国海军研究院　０Ｏ５６。　ｂｍｌｎ　光纤陀螺　（９８年）　电子工程部　

动态航向：士Ｏ．２。　Ｏｃｔａｎｓ光纤罗经及　法国ＩＸＳＥＡ　纵横：０．０１。　４ｒａｉｎ　光纤陀螺跟踪　运动敏感装置　速度５００。／ｓ　重复精度：士Ｏ．０２５。　

士６０　１．５ｍｉｎ　ＧＧ１　瑞士ＷＩＬＤ　士６Ｏ”　２ｒａｉｎ　吊丝式　士２Ｏ”　２０ｍｉ／２　

３陀螺寻北的工作原理　

３．１现有的寻北方法　

寻北有多种方法，目前主要有四种：一是　磁北法，二是天文观测法，三是陀螺寻北法，　

２　四是加速度计寻北法。磁北法受地球磁偏角　

和磁偏角随时间变化的影响以及周围铁磁物　

质的影响，精度不易提高，只能粗略定向。天　

文观测法寻北是通过光学仪器观察天体而完　

成定向的，其定向精度很高，但是通常它需要　

２００４年第２期　维普资讯 http://www.cqvip.com 较长的作业时间，还完全受气候条件的限制，　

显然不便于野外机动使用。陀螺和加速度计　

寻北都是惯性技术的产物，是根据惯性元件　

敏感地球的自转运动而实现定北的，地球的　

自转角速度水平分量就是地理正北方向。其　

主要特点是：定向精度较高，测量时间短，不　

受气候条件限制（可以全天候工作），在任何　

时间和地点（高纬度地区除外）都可以自主测　

量，而且操作简便，易于实现自动定向和机动　

使用。陀螺寻北是目前使用较为普遍的方法，　

加速度计寻北目前也取得了一定的进展，但　

尚未见实际应用。　

３．２陀螺寻北的工作原理　

捷联式陀螺寻北仪要用高精度陀螺来测　

量地球的自转运动分量，经计算而得到真北　

方向。我厂目前使用的是高精度的动力调谐　

陀螺仪的寻北仪。将陀螺仪（自转轴垂直向　

上），和两个加速度计放置于能水平转动１８０　

度的基座上，它们分别在相隔１８０度的两个　

位置上测量地球的自转运动分量和重力加速　

度（ｇ）的分量，经计算机解算可消除陀螺仪的　

常值漂移和加速度计的偏置，然后计算基座　

的姿态角和相对真北的方位角。　

捷联式陀螺寻北仪是固连在载体（如炮　

车）上的，寻北仪、载体和地球之间的关系，我　

们用几个坐标系来表示。　

地理坐标系为北一西一天系，记为　

Ｘ。（Ｎ）一Ｙ。（ｗ）一Ｚ。（Ｈ），以ｔ表示。导航坐标　

系（地理系顺时针转　角）为Ｘ　一ＹｒＺ。，以ｎ　

表示。载体坐标系（导航坐标系绕Ｙ　轴顺时　

针转０角，再绕ｘ轴逆时针转ｙ角）为ｘ·Ｙ—　

ｚ，以ｂ表示。寻北仪与载体固连在一起，便　合用一个载体坐标系。见图１。　

其中：　定义为航向角；０定义为俯仰　

角；ｙ定义为横滚角。　

陀螺与加速度计两个测量轴固连在载体　

宝成科技　坐标系的Ｘ、Ｙ轴上　Ｚ轴上没有测量元件，　

是因为Ｚ。轴的地球自转垂直分量可由已知　

的纬度值牛计算出来，所以它不影响寻北。　

Ｘ　Ｘ　Ｘｏ　）　图１　坐标系的旋转　

寻北计算　是在导航坐标系（ｘ　一Ｙ　一　

Ｚｏ）上进行的，如图２所示。　

∞ｘｌ＝∞ｃｃ０ｓ　ｌＩ，　＝∞ｃｓＩｎｌＩ，　

Ｘｏ（Ｎ）　

图２　坐标系旋转中的方位角　

ＯＯｙ１一　一ｔ　ＣＯ　ｃＣｏｓＸｌｔ　ｇ　

￣ｔ＝ａｒｃｔｇ　ｔｕＪｘ￣ｖ２１　（１）　

将载体坐标系（Ｘ—Ｙ—Ｚ）上的陀螺测量值　

变换到导航坐标系上：　

仨卜。　·目　

ｃｏｓＯ　０－ｓｉ胡　

ｔ

ｏｙ　维普资讯 http://www.cqvip.com 。科磺与开发　

ｆＩｌＪ）ｃｃ０Ｓ８一吣Ｙｓｉｎ。ｓｉｎ７一￣ｓｉｎ０ｃｏｓ７　１　

．｛　￣ｃｏｓ７一￣ｚｓｉｎ７　｝　（ｚ）　

【ｔＩ，’ｃｓｉｎ。＋ｎ｝ｙｃ０Ｓ。ｓｉｎ７＋∞ｚｃ０ｓ。ｃ０ｓ７　Ｊ　ｆ　１＝￣ｃｏｓＯ—ｔｏｖｓｉｎＯｓｉｎ７一￣ｓｉｎ０ｃｏｓ７　．｛ｔｏｙ１＝ｕ￣ｏｓ７一￣ｓｉｎ７　（３）　

【∞ｚｏ＝　ｓｉｎ甲＝ｎ　ｓｉｎ８＋吣Ｙｃ０ｓ。ｓｉｎ７＋“　０ｓ。ｃ０ｓ７　

式（２）中的未知项是‘ｌ，ｚ，有：　

ｃｔ㈩　‘ｌ，ｚ一　一　一　

将式（４）代入式（３）的ｔｌ，）【　和ｃｌ’ＹＩ中得：　

Ｏ￣ｘＣＯＳＴ－－ｔ％　ｓｉｎｔ　ｐｓｉｎ０ｃｏｓ７ｔａｘ　ｘ　（５）　一———　—一　

－，ｖ　一　（６）　ｃｌ’Ｙ１一—————　———一　ｂ　

将式（４）、（５）代入式（７）得：　一ａｒｃｔｇ—ｔｏｖｃ　ｏｓ　Ｏ－　ｔｏ，二ｓｉｎ　￣ｏｓ　ｉｎ７　＋丽ＯＪｘ　ｓｉｎ　Ｏｓｉｎ７　

（７）　

经过前文类似的坐标变换（略），可解得　

姿态角为：　

ｆ０＝８ＴＣＳｉｎ　ｌ　ｇ　（８）　ａｒｃｓｉｎ南　

将姿态角０和入代入式（７）就能得到有　

姿态补偿的方位角。　

３．３主要误差源　

动调陀螺要用交流电源（陀螺马达电源、　

激磁电源）以及再平衡回路等组合起来共同　

完成惯性测量。　

∞Ｙ　

∞Ｘ　

４　图３　陀螺再平衡回路简化框图　ＵＩ四　

Ｕ恼　为简化分析，忽略了陀螺的章动项和剩　

余弹性系数△ｋ的两轴交联耦合因素，便可　

以画出图３所示的陀螺再平衡回路框图。其　

中：　Ｋ　、Ｋ　：传感器电压信号系数；　

ＫⅨＣ（ｓ）、ＫｔｖＣ（ｓ）：放大补偿线路的补偿　

系数与补偿函数的乘积；　

Ｋｍｘ、Ｋ　：力矩器放大系数，可近似为常　

数；　．　Ｍ　、Ｍｖ：给陀螺力矩器上施加的负反馈　

力矩；　

ＭＸＯ－Ｍｖｏ：干扰力矩；　

Ｈ‘：陀螺输入角动量；　

Ｒｓｘ、Ｒｓｖ：陀螺再平衡线路采样电阻。　

由图３可知：　

ｆｕｘ（ｓ严ＨＳＫｕｘＫｍＣ（Ｓ）ＲｓｘＨＳ＋ＫｕｘＫ＝Ｃ（Ｓ）Ｋｍ—ｘ＋—（Ｈ。ｔＹ士Ｍｘ。）Ｉ　ｕｘ（ｓ）＝——　ｎ　ｔＩ’Ｙ士Ⅳ　ｘｏＪ　

ＵＹＩ＝　Ｋｕｖ　Ｋｌｖ　Ｃ（Ｓ　）Ｒｓｖ（Ｈ。‘ｌＹＯ）　【ｕｖ（ｓ）　再　Ｆ　ｎ‘Ｉ）ｃ士Ｍ　

（９）　

因为ＯＪｘ、（ｆｌｙ是常数，Ｕｘ（ｓ）、Ｕｖ　的稳态　

值可表示为：　

ｆ　Ｕｘ—Ｋｘ￣ＮＣｏＳＸｌｒ＋Ｄｘ　

ｌＵＹ＝ＫＹｏ￣ｓｉｎＸＩｒ＋ＤＹ　

为便于分析，令Ｋｘ—Ｋ＋ＡＫｘ，Ｋｖ＝Ｋ＋　ＡＫｖ，再考虑到陀螺Ｘ和Ｙ轴不正交误差角　

ＧＸｖ和￣ｌｙｘ，以及其基座不稳定的干扰角速度　

和　ｖ，则实测输出电压（忽略二阶小量）　

为：　

ｆＵｘ—Ｋ‘‘，ＮｃｏｓＸＩｒ＋ＡＫｘ‘‘，Ｎｃｏｓ　＋　

Ｉ　ａ　“’Ｎｃｏｓ　＋（Ｋ＋ＡＫｘ）‘‘，ｊＹ＋Ｄｘ　

Ｊ　ＵＹ—ＫｃｏＮｓｉｎＸＩｒ＋ＡＫＹｏ￣ｓｉｎＸＩｒ＋　

【　ａｙｘｔｏＮｓｉｎＸＩ，ｒ＋（Ｋ＋ＡＫＹ）￣Ｏｉｘ＋Ｄ　

式（１１）中，除地转分量Ｋ∞　ｃｏｓＸＩｒ和　

Ｋｏ￣ｓｉｎＸｔｒ之外，还存在以下几个误差源：　

１）增益系数误差项：ＡＫｘ６０Ｎｃｏｓ￣Ｉｔ和　

ＡＫｖａ，Ｎｓｉｎ￣；　（下转１ｌ页）　

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