一种利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法

摘要

本发明属于地球物理、大地测量学、惯性导航技术领域，公开了一种利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法，包括以下步骤：获取陀螺旋转轴方向与子午线的夹角α；测量陀螺仪所在位置的纬度

说明书

技术领域

本发明属于地球物理、大地测量学、惯性导航技术领域，具体涉及一种测定地球自转角速度的方法，特别是一种利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法。本发明可以广泛应用于航空、航天、全球板块运动监测、深空探测研究等领域。

背景技术

地球本身由于其内部物质流分布的不均匀造成其自转的角速度不停的发生着微小的变化，而地球角速度的变化也引起了每日日长的变化，因此，准确地测量地球自转角速度的变化对于航空、航天、地球物理学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。

自20世纪70年代以来，人们采用多种观测技术对地球自转角速度进行测量，如VLBI技术、SLR技术以及GPS技术等，而这些技术大多需要大范围的地空联测，所需的设备造价昂贵，且获取观测数据的周期较长，数据后处理过程复杂。

发明内容

针对目前采用的测量地球自转角速度技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法，本发明的方法简单易行，不需要大范围的地空联测，可以独立进行地球自转角速度测量，且后期数据处理速度较快，可实时监测地球自转角速度的变化。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法，包括以下步骤：

第一步，获取陀螺旋转轴与子午线的夹角α；

第二步，测量陀螺所在位置的纬度

第三步，启动陀螺仪测量陀螺的指向力矩M；

第四步，利用前面三步得到的陀螺旋转轴与子午线的夹角α、测站点纬度指向力矩M，根据公式2计算地球自转角速度ω_e：

(公式2)

其中，M为指向力矩；H为陀螺角动量，为已知量；ω_e为地球自转角速度；为陀螺安置点纬度；α为陀螺旋转轴与子午线的夹角。

本发明的理论根据如下：

高速旋转的陀螺，在地球自转与自身重力矩的共同影响下会产生向子午线方向进动的指向力矩，指向力矩的大小为

(公式1)

其中，M为指向力矩；H为陀螺角动量；ω_e为地球自转角速度；为陀螺仪所在位置的纬度；α为陀螺旋转轴与子午线的夹角。

在指向力矩的作用下，陀螺旋转轴会绕着子午线往复摆动，在摆动的过程中，随着陀螺旋转轴与子午线夹角α的变化，指向力矩M的大小也在不断的发生变化。如果通过施加与指向力矩大小相等，方向相反的外加力矩使陀螺旋转轴处于静止状态，并通过测量外加力矩的大小测定指向力矩的大小。再根据公式1，计算地球自转角速度为：

(公式2)

其中，陀螺的角动量H为已知量。

附图说明

图1装置位置安置示意图。

图2本发明的实施例所使用陀螺仪的结构示意图。

以下结合附图与具体实施例对本发明做进一步的解释说明。

具体实施方式

本发明利用陀螺仪测定地球自转角速度的方法，包括以下步骤：

第一步，获取陀螺旋转轴与子午线的夹角α；

第二步，测量陀螺所在位置的纬度

第三步，启动陀螺仪测量陀螺的指向力矩M；

第四步，利用前面三步得到的陀螺旋转轴与子午线的夹角α、测站点纬度指向力矩M，根据公式2计算地球自转角速度ω_e：

(公式2)

其中，M为指向力矩；H为陀螺角动量，为已知量；ω_e为地球自转角速度；为陀螺安置点纬度；α为陀螺旋转轴与子午线的夹角。

实施例1：

本实施例所用陀螺仪结构如图2所示：包括平面镜反射系统、测角系统、回转系统以及磁悬浮系统，其中，测角系统、回转系统及磁悬浮系统均设于外部壳体6内，外部壳体6底部中心位置设有对中标识23，外部壳体6上方设有与外部计算机系统相连接的数据接口26。

平面镜反射系统设于外部壳体6上方，其包括反射镜1和反射镜旋转轴2；反射镜1的法线方向为水平，反射镜1与反射镜旋转轴2固连，且反射镜旋转轴2位于陀螺仪的中心轴线VV轴上，通过反射镜旋转轴2可调整反射镜1的水平方位，使反射镜1绕VV轴在水平方向自由旋转；

测角系统包括一块水平度盘25、读数器24和记录器3，记录器3位于读数器24的正上方，读数器24位于水平度盘25的正上方，反射镜旋转轴2穿过记录器3、读数器24与水平度盘25相接触，测角系统通过水平度盘25、读数器24和反射镜旋转轴2读取反射镜1的法线方向在水平度盘25上的方位值，并通过记录器3将方位值记录下来。

回转系统包括回转马达4以及回转轴承5。回转马达4安装于测角系统的下方，回转马达4和回转轴承5均设于外部壳体6内。回转马达4与回转轴承5通过齿轮组连接，可使回转壳体7与回转壳体内的光路自准直系统与磁悬浮系统整体绕VV轴进行任意方位回转；并可结合测角系统控制回转角度位置。

磁悬浮系统包括回转壳体7、力矩器壳体19、第一电感线圈8、第二电感线圈9、弹簧10、压片11、反射棱镜组15、力矩器定子21和陀螺灵敏部；该陀螺灵敏部包括：磁浮球12、连接杆14、光电传感器16、陀螺马达房17、力矩器转子2 1以及陀螺马达房17内的陀螺马达18和陀螺旋转轴28；回转壳体7为一门形；力矩器壳体19为一倒门形，回转壳体7与力矩器壳体19固连并位于力矩器壳体19上方；回转壳体7内壁顶部中心设有第一电感线圈8；回转壳体7内壁顶部围绕第一电感线圈8的八个方向均匀设有8个第二电感线圈9；每个第二电感线圈9下方固连一个弹簧10，弹簧10下方固连压片11；力矩器壳体19内壁上方设有两个对称的反射棱镜组15；力矩器壳体19内壁下方设有力矩器定子21；磁浮球12位于第一电感线圈8下方，连接杆14位于磁浮球12下方与磁浮球12固连，连接杆14包括主杆体140和垂直于主杆体140的平面141，平面141上设有与8个与第二电感线圈9位置相对应的触头142，平面141下方设有两个光电传感器16与连接杆14固连，连接杆14位于陀螺房17上方，与陀螺房17固连，陀螺房17内设有陀螺马达18，陀螺旋转轴28穿过陀螺马达18中心且与陀螺房17固连；陀螺房17下方设有力矩器转子21。

回转壳体7位于回转马达4下方，且与回转轴承5通过齿轮接触，力矩器壳体19转轴承5通过齿轮接触；

上述陀螺仪的工作过程如下：启动陀螺马达，待陀螺马达转速达到额定转速后，回转马达4通过回转轴承5使回转壳体7与力矩器壳体19，以及回转壳体7与力矩器壳体19绕VV轴回转，并根据记录器3记录的方位值确定回转的具体位置，第二电感线圈9通电，压片11由于磁力作用被吸附起来，弹簧10处于压缩状态，然后第一电感线圈8通电，由于磁力作用，磁浮球12被向上拉起，在连接杆14的作用下，陀螺灵敏部处于悬浮状态，力矩器定子20与力矩器转子21之间形成水平磁场，在该磁场力的作用下陀螺灵敏部保持静止，此时光电传感器16的发射/接收面与反射棱镜组15正对，光电传感器16向反射棱镜组15发射光束，光束到达反射棱镜组15后被反射回来，当发射光束与反射光束稳定重合时，力矩器定子20与力矩器转子21开始采集测量数据，并通过数据接口26传输给外部计算机，计算力矩值。

如图1所示(图1中N表示子午线方向)，本发明的利用陀螺仪测定地球自转角速度的步骤如下：

1)选取两个已知点A(N34°22′07.7787″，E108°53′51.7719″)、R(N34°22′14.9648″，E108°53′48.8607″)，根据A、R两点坐标计算出AR测线的地理方位角α_AR＝341°25′55″；

2)在A点安置一台陀螺仪，在R点安置一台激光发射器；

3)启动激光发射器，向陀螺仪上方的反射镜1发射一束激光，陀螺仪通过反射镜旋转轴2调整反射镜1的方位，使入射光与反射光重合，此时反射镜1的法线方向即为测线AR的方向；

4)通过水平度盘25、读数器24和反射镜旋转轴2读取反射镜1的法线方向在水平度盘25上的方位值，并通过记录器3将该方位值记录下来；

5)陀螺仪根据记录器3记录的方位值，启动回转马达4，使陀螺旋转轴28的方向回转至反射镜1的法线方向，此时陀螺旋转轴28的方向与子午线的夹角就是测线AR的地理方位角，所以α＝α_AR＝152°19′35″；

6)启动陀螺马达18，测量指向力矩值M＝0.00018346；

7)利用陀螺旋转轴28与子午线的夹角α、陀螺安置点A的纬度指向力矩M，根据公式2计算得到地球自转角速度ω_e为0.0000725弧度/秒：

(公式2)

其中，M为指向力矩；H为陀螺角动量，为已知量；ω_e为地球自转角速度；为陀螺安置点纬度；α为陀螺旋转轴与子午线的夹角。

本发明的方法简单易行，不需要大范围的地空联测，可以独立进行地球自转角速度测量，且后期数据处理速度较快，可实时监测地球自转角速度的变化。