導航原理實驗報告

1、導航原理實驗報告i i i i - hu/.教m:紙:導 院班學姓成指批改日期：年月曰哈爾濱工業(yè)大學航天學院控制科學實驗室實驗1二自由度陀螺儀基本特性驗證實驗、實驗目的1. 了解機械陀螺儀的結構特點；2. 對比驗證沒有通電和通電后的二自由度陀螺儀基本特性表觀；3. 深化課堂講授的有關二自巾度陀螺儀基木特性的內容。二、思考與分析1. 定軸性(1) 設陀螺儀的動fi矩為h,作用在陀螺儀上的干擾力矩為md，陀螺儀漂移角 速度為(nd，寫山關系式說明動量矩h越大，陀螺漂移越小，陀螺儀的定軸 性(即穩(wěn)定性)越高.答案:m d = 乂 h干擾力矩沁一定時，動量矩n越大，陀螺儀漂移角速度為o)d越小，陀螺漂

2、移越小， 陀螺儀的定軸性(即穩(wěn)定性)越高.(2) 在陀螺儀原理及其機電結構方而簡要蛻明如何提高h的量值?答案：h = jq.由公式可知a提高h的量值有四種途徑：1. 陀螺轉子采用密度人的材料,其質量提高了，轉動慣量也就提高了。2. 改變質量分布特性。在質量相同的情況下，若質量分布的半徑距質 心越遠，n越大。因此將陀螺轉子的有效質量外移，如動力諧陀螺將 轉子設計成環(huán)狀。即在陀螺電機定子環(huán)中，可做成質景集中分布在 環(huán)外邊緣的環(huán)形結構，切邊緣部分材質密度人，可提高轉動慣量。3. 增大r，可有效提高轉動慣量。4. 另外可通過采用外轉子電機來改變電機質量分布，增大r。改變電機定轉子結構：采用外轉子，內定

3、子結構的轉子電機。4. 增加陀螺轉子的旋轉速度。co = 2/rn / 60 = 2(1 -s)f / p ，n = 60/(1-5)/ p提高電壓周波頻率 f tn th t f=400hz 適當減少極對數，如取p=l適當減少轉差率s，可通過減少轉子支承軸承摩擦來實現2.進動性(1)在外框架施加一沿x軸正方向作用力矩吋，畫出動量矩h的進動方向及矢量m,11的關系坐標圖。(設定11沿z軸正方向)并在坐標屮標出陀螺儀自轉軸的旋轉方向n。b)在內框架施加一沿y軸正方向作用力矩時，両出動量矩h的進動方向及 矢量m, <o，h的關系坐標圖。(設定h沿z軸正方向)并在坐標中標出陀螺 儀自轉軸的旋轉

4、方向n。（3）若改變了陀螺儀&轉軸的旋轉方向n即h是沿坐標z軸的負方向，仍還是在外框架沿x軸正方向施加一作用力矩時，畫出其矢量m,n的關系坐標圖。并在坐標圖屮標出自轉軸的旋轉方向n和h的進動方向及陀 螺力矩1。的方向。2.陀螺動力效應如果人為的用手指向陀螺儀的內框架（內環(huán)）施加力矩時，對于陀螺儀內 框架（內環(huán)）而言，為什么沒有表觀出陀螺動力效應？當人為對陀螺內框架施加外力矩時，外力矩通過內框架傳遞到轉子上，陀螺轉子產生 繞外框架軸的進動。雖然作用在內框架上的陀螺力矩與施加的外力矩大小相等方向相反，但是因為陀螺轉子繞外框架軸進動，會帶動了內框架，隨著外框架一起轉動。因此陀螺內框架不能表現

5、出陀螺動力效應?？椵嬜V架軸內框架陀螺煉kfe但隨陀觀 o/此表 為架因應 矩框，效 力內動力受所動架架 s框框 框子外內 螺內框架實驗2 光纖陀螺工作過程演示實驗一、實驗目的1. 通過演示實驗，加深對sagnac效應的理解；2. 了解光纖陀螺陀螺數裾采集系統(tǒng)；3. 掌握光纖陀螺結構及應用；4. 觀察光纖陀螺工作過程.二、思考與分析1. 薩格奈克效應是什么？答案：sagnac效應是法國科學家g.sagnac于1913年發(fā)現的，它'構成了現代光學陀螺激光陀螺和光纖陀螺的理論基礎。在一個任意幾何形狀的閉合光學環(huán)路中，從任意一點發(fā) 出的沿相反方向傳播的兩朿光波，繞行一周返回到該點時，如果閉合光

6、路在其平面內相對 慣性空間有旋轉，則兩束光波的相位將發(fā)生變化，這稱為sagnac效應。2. 光纖陀螺儀按光路系統(tǒng)的不同分類，分為哪幾種？答案：全光纖陀螺，集成光學光纖陀螺，諧振腔型光纖陀螺。陀螺儀原理實驗報吿3. 光纖環(huán)形干涉儀的基本原理是什么?答案：當用光纖環(huán)實現閉合光學環(huán)路并形成環(huán)形干涉儀時，其輸出為：d = a) (1 + c0s 么)(1、式中，是入射光的光強；么是旋轉引起的相位變化，也稱為sagnac相移，它與旋轉角 速率d的關系為：4ttrl(2)式中，l為光纖長度；為光纖環(huán)的半徑；4為光波長；c為真空屮的光速。光纖環(huán)形 干涉儀的優(yōu)勢是可以采用多匝光路來增強sagnac相移，此時(

7、1)或中的光纖長度 是光纖線閣的匝數。聯合式(1)和(2)，就能夠通過檢測干涉光強的變化來感知轉速。4. 光纖陀螺儀的基本構成和光路傳導過程是什么？答案：光路系統(tǒng)主要由光源，光檢測器，分束器，偏振器，空間濾波器，相位調制器，光 纖線圈。5. 光纖陀螺測的是那個方向的轉動角速率？測量的是地球ft轉角速率在垂直于光纖陀螺腔體方向的分量。實驗3 陀螺穩(wěn)定平臺結構展示實驗一、實驗目的1. 了解單軸雙陀螺穩(wěn)定平臺的結構及特點；2. 了解雙軸陀螺穩(wěn)定平臺的結構及特點；3. 加深對陀螺穩(wěn)定平臺工作原理的理解。二、思考與分析1. 陀螺穩(wěn)定平臺的分類？陀螺穩(wěn)定平臺按其穩(wěn)定的軸數，又分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩(wěn)定平

8、臺。按選 作陀螺穩(wěn)定平臺(下ifif簡稱平臺)敏感元件的不同，可分為氣浮陀螺平臺、液浮陀螺平臺、 撓性陀螺平臺等。2. 陀螺穩(wěn)定平臺有哪兩種基本作用？答案：一是穩(wěn)定作用，即能隔離運載體的角運動。平臺穩(wěn)定系統(tǒng)產生穩(wěn)定力矩來抵消運載體運動對平臺的干擾力矩，阻止平臺相對慣性空間轉動。二是修正作用，即能控制平臺按照所需的角運動規(guī)律相對于慣性空間運動。例如，穩(wěn)定平臺要模擬當地水平面時，平臺在保持穩(wěn)定的同時，還必須進行修正，以跟蹤當地水平面相對慣性空間的運動。3. 測量元件對慣導平臺的性能有何影響？如何處理？符案1:由于加速度計的常值零位誤差，陀螺的常值漂移角速度，都可以產生平臺誤 差角，產生平臺漂移，影

9、響慣導平臺控制精度。此外平臺還有初始安裝誤差角及初始速度的裝訂誤差。這些誤差都具有振蕩特性，均 以84. 4分鐘的周期振蕩。因此，當導航系統(tǒng)的使用時間接近或超過半個舒拉周期以上時， 便要設法將上述無阻尼振蕩現象加以衰減，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，才能比較精確地進行定位 與導航。答案2:陀螺漂移將產生陀螺干擾力矩，使慣導平臺產生失準角，進而影響慣導平臺 控制精度。由于陀螺漂移帶來的誤差無界，且無法補償，所以陀螺的精度最終決定了慣導 平臺的精度。4. 簡述雙軸陀螺穩(wěn)定平臺的結構？雙軸陀螺穩(wěn)定平臺巾主要由平臺臺體、框架系統(tǒng)（即內框架、外框架和基座）、 穩(wěn)定系統(tǒng)（由平臺臺體上的陀螺儀、伺服放大器和框架軸上的力

10、矩電機等構成，又 稱穩(wěn)定回路、伺服回路）以及修正系統(tǒng)（包括平臺臺體上的加速度計、液位開關） 構成框架式結構。陀螺馬達分別裝在陀螺房屮，陀螺房軸為進動軸，兩進動軸互相垂直， 通過連桿與修正電機相接，與裝在平臺下的液位開關構成修正回路。穩(wěn)定軸為x、y，它們相互垂直，分別通過減速器與穩(wěn)定電機相連，兩個穩(wěn)定電機的驅動信號來自繞在陀螺房 上的陀螺信號傳感器。實驗4 gps性能指標驗證實驗、實驗目的1. 了解gps導航系統(tǒng)的工作原理；2. 加深對gps導航系統(tǒng)課堂內界的理解。二、思考與分析1. 舉例說明在實際應用屮有哪幾種導航系統(tǒng)？答案：慣性導航系統(tǒng)，多普勒系統(tǒng)，天文導航系統(tǒng)，衛(wèi)星導航系統(tǒng)，地形輔助導航

11、系統(tǒng)及組合導航系統(tǒng)等。gps導航系統(tǒng)：應用在車載導航儀上；gps/ins/cns導航系統(tǒng)：應用在洲際導彈上；gps/ins/tan：應用在巡航導彈上；無線電導航：應用在機場飛機起降上；agps導航：手機上2. 衛(wèi)星導航系統(tǒng)(gps)和慣性導航系統(tǒng)的組合是一種非常完美的組合方式，但是， 為什么世界各國在組合導航系統(tǒng)的構成上，選用多種類導航系統(tǒng)的組合？答案：由于gps系統(tǒng)的應用受衛(wèi)星所有權國家的控制，因此，不同國家的用戶，為了尋 求使用上的安全性，在組合導航系統(tǒng)的構成上，選用多種類導航系統(tǒng)的組合。3. 按附表格式整理實驗數據。附表1 (可視衛(wèi)星數為4)gps吋間可視衛(wèi)星敗目継（ 傭仰和 «滾角醬向電離層延遲（t）對流層誤差（m）接收機位置（m）x：y：z：（注：接收位置處信號的載波頻率為00,它與發(fā)射信號的頻率（0（,的區(qū)別是有一個多 普勒頻移，這是由于導航衛(wèi)星和接收機天線的相對運動造成的。多普勒頻移doppler = co-co, = -&