一种基于天文方位角的陀螺仪校准系统及方法

摘要

本发明涉及陀螺仪校准的技术领域，公开了一种基于天文方位角的陀螺仪校准系统，包括天文观测墩、平行光管以及位于天文观测墩和平行光管连线上的陀螺仪安置装置，陀螺仪安置装置用于放置待校准的陀螺仪，并能够实现待校准的陀螺仪在水平面上做任意角度的调整。还公开了一种基于天文方位角的陀螺仪校准方法，包括将经纬仪或下挂式陀螺经纬仪的光学中心和背光栅格板的标记作对中调整的步骤；以及将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与零度方位角或者平行光管的所处的天文方位角比较，并做出判定的步骤。本发明借助平行光管的天文方位角，结合对中调整，提高了校准的精确性。

说明书

技术领域

本发明属于陀螺仪校准的技术领域，具体涉及一种基于天文方位角的陀螺仪校准系统及方法。

背景技术

陀螺仪是一种角运动检测装置，在地球上能在重力和自转力的共同作用下，精确地指示真北方向。陀螺仪按测控不同原理分为：压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪等。陀螺仪是一种不依赖于外界信号，能够独立工作的指向仪器。广泛运用于运动物体的姿态和航迹控制，是火箭、飞机、船舶和车辆的导航与控制的关键仪器。由于陀螺仪受工艺制造技术的限制，其输出方位角的都存在不同程度的示值偏差，需要定期进行校准。

天文方位角以北极星作为自然基准，通过观测恒星位置，以确定地面点的天文经度、天文纬度或两点间天文方位角的测量工作。所复现的真北方向量值不受时间、地理位置、环境、被校对象等各种因素的影响，只要具备观星条件，即可复现基准量值，因此具有很高的复现性和稳定性。

我国在方位角研究领域工作起步于上世纪八十年代，北京长城计量测试技术研究所(304所)当时采用的精密V型槽方位角装置，由于V型槽设置地点不能直接观测北极星，所以采用折光2次后从窗户引入方位角，属于间接测量，可以满足±30″的陀螺仪校准，对于现代最高等级陀螺仪±5″情况下已经无法适用。

广州市计量检测技术研究院于2010年建成基于天文方位角陀螺经纬仪测量装置，方位角测定结果不确定度U＝1″(k＝2)。

中国计量科学院于2012年在昌平基地建立了国家方位角装置，方位角测定结果不确定度U₉₅＝0.5″。

上述校准实验室目前仅用于陀螺经纬仪的校准，但对于被测对象基于MEMS陀螺仪原理，直径约200mm，体积相对较小，国内船舶用陀螺仪一般采用极其耐用的液压机电式陀螺仪，最大体积为550mm×550mm×400mm，体积庞大，质量达到25kg～30kg，目前未能开展对其的校准工作，需要对用于放置陀螺仪样品的工作台空间和承重转台系统进行重新设计。

发明内容

本发明提供一种基于天文方位角的陀螺仪校准方法，解决了现有校准方法的校准精度达不到实际要求的问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种基于天文方位角的陀螺仪校准系统，包括：天文观测墩、平行光管以及位于所述天文观测墩和平行光管连线上的陀螺仪安置装置，所述陀螺仪安置装置用于放置待校准的陀螺仪，并能够实现待校准的陀螺仪在水平面上做任意角度的调整。

进一步，所述陀螺仪安置装置自上而下依次包括同轴设置的经纬仪安装台、陀螺仪回转台、角度调整机构和支撑机构，所述经纬仪安装台用于安装经纬仪，所述陀螺仪回转台用于放置待校准的陀螺仪，所述角度调整机构用于实现陀螺仪回转台在水平面上做任意角度的调整，所述支撑机构用于支撑陀螺仪回转台。

进一步，所述角度调整机构包括转盘，所述转盘由内向外设置有内盘和外盘，所述内盘和外盘同轴设置且外盘相对内盘转动，所述内盘设置在基座上，所述陀螺仪回转台通过隔环设置在外盘上，所述基座通过固定板设置在支撑机构的顶面，所述固定板设置在支撑机构的顶面，所述外盘的侧边设置有咬合锁紧机构，所述咬合锁紧机构用于微调及锁定外盘的转动角度，所述基座、内盘的中心均设置有通孔，且它们的轴向中心线与支撑机构、陀螺仪回转台的轴向中心线共线。

进一步，所述咬合锁紧机构包括C型夹，所述C型夹包括侧壁和C型开口的上板、下板，C型开口卡在外盘边缘，所述侧壁的底部通过连接板设置在固定板上，所述C型开口的上板和下板的中心设置有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于调整C型开口的大小，所述C型夹的侧壁垂直设置有微调机构，所述微调机构用于调整C型夹咬合后的外盘做周向微动。

进一步，所述锁紧螺栓的一端与C型开口的下板固定连接，另一端设置有外螺纹，与C型开口的上板螺纹连接。

进一步，所述微调机构包括微动螺杆，所述微动螺杆的一端穿过第一竖板和C型夹的侧壁的一面相接触，所述微动螺杆和第一竖板通过螺纹配合转动，所述第一竖板固定设置在连接板的一侧上，

所述C型夹的侧壁的另一面设置有被动杆，所述被动杆的一端和C型夹的侧壁的另一面相连，另一端穿过第二竖板的中孔，但不和第二竖板相接触，其顶端设置有圆盘块，所述圆盘块和弹簧一端相连，弹簧的另一端和压盖相连，所述压盖通过支撑套设置在第二竖板上，所述支撑套设置在弹簧和被动杆的带圆盘块的一端的外围，所述支撑套的一端设置在第二竖板上，另一端和压盖相连，所述第二竖板固定设置连接板的另一侧上，所述圆盘块的直径小于支撑套的内径。

进一步，所述支撑机构采用中空结构，底部中心设置有背光栅格板，所述背光栅格板上设置有垂准点标记，所述垂准点为天文观测墩和平行光管连线上的一点在背光栅格板的垂足，点与垂足的连线和陀螺仪安置装置的轴向中心线重和。

进一步，所述陀螺仪回转台包括上台板和下台板，所述上台板和下台板之间一个相对的两侧均匀设置多个竖杆，所述下台板底面设置在角度调整机构上，所述上台板和下台板的中心均设置有通孔，所述经纬仪安装台能够拆卸地设置在上台板的顶面上，所述上台板的通孔能够容纳下挂式陀螺经纬仪的陀螺部通过。

进一步，所述经纬仪安装台由上至下依次设置有安装盘和中间托盘，所述安装盘用于安装经纬仪，所述中间托盘设置在陀螺仪回转台上，所述安装盘和中间托盘的中心均设置有通孔。

一种基于上文所述的基于天文方位角的陀螺仪校准系统的校准方法，包括：将经纬仪放置在经纬仪安装台上，将经纬仪的光学中心和支撑机构底部的背光栅格板的标记做对中调整；

或者将下挂式陀螺经纬仪的陀螺部穿过陀螺回转台的上台板的通孔，设置在陀螺回转台上，将下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的光学中心和支撑机构底部的背光栅格板的标记作对中调整的步骤；

以及将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与真北方即零度方位角或者平行光管的所处的天文方位角比较，并做出判定的步骤。

进一步，所述测量的方位角与真北方即零度方位角比较包括以下步骤：

步骤ⅰ、将经纬仪的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶，再将待校准的陀螺仪放置在陀螺仪回转台里，并做水平调整；或者将下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶；

步骤ⅱ、利用角度调整机构及经纬仪或者下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部，将陀螺仪回转台转动平行光管所处的方位角度，但方向与平行光管所处的方位角相反，再利用咬合锁紧机构微调，并锁定转动的角度；

步骤ⅲ、将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与真北方即零度方位角做比较。

进一步，所述测量的方位角与平行光管的所处的天文方位角比较包括以下步骤：

步骤一、将待校准的陀螺仪放置在陀螺仪回转台里，并做水平调整，再利用角度调整机构将陀螺仪回转台转动，结合咬合锁紧机构做微调，使待校准的陀螺仪测量的方位角为零度方位角；

或者利用角度调整机构将陀螺仪回转台转动，结合咬合锁紧机构做微调，使下挂式陀螺经纬仪测量的方位角为零度方位角；

步骤二、利用角度调整机构将陀螺仪回转台转动，结合咬合锁紧机构做微调，使经纬仪或者下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶；

步骤三、将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与平行光管的所处的天文方位角做比较。

本发明有益的技术效果在于：

借助装置各部件的同轴设计及中心的通孔设计，使天文观测墩与平行光管的连线上的点能够方便地在装置底部的背光栅格板上做垂准点标记，并可以实现经纬仪的光学中心与垂准点标记做对中调整。

通过角度调整机构的同轴嵌套设计的内外盘及设置在外盘边缘的咬合锁紧机构，能够实现陀螺仪回转台上的待测陀螺仪的任意角度转动，结合经纬仪安装台的可拆卸设计，实现对多种高精度陀螺仪的校准工作，提高校准的准确性。

附图说明

图1为本发明的校准系统的总体示意图；

图2为本发明的陀螺仪安置装置的立体示意图；

图3为本发明的调整定位机构总体示意图；

图4为本发明的角度调整机构的总体示意图；

图5为本发明的咬合锁紧机构的总体示意图，除去连接板、第一竖板、第二竖板和支撑套；

图6为本发明的经纬仪安装台的结构示意图；

图7为本发明的经纬仪安装台除去上托盘的结构示意图；

图8为本发明的校准方法的总体流程图；

图9为本发明的对中调整方法的流程图；

其中，1-调整定位机构、11-下底盘、12-上底盘、13-第一水平调整螺栓、14-前后定位螺栓、15-耳朵、16-竖板、17-螺纹孔；2-螺旋升降台、21-螺纹柱、22-螺纹管、23-旋转手柄；3-角度调整机构、31-内盘、32-外盘、33-基座、34-隔环、35-固定板、36-咬合锁紧机构、37-拉簧、38-第二水平调整螺栓、3601-C型夹、3602-锁紧螺栓、3603-下板、3604-上板、3605-连接板、3606-微动螺杆、3607-第一竖板、3608-被动杆、3609-第二竖版、3610-圆盘块、3611-弹簧、3612-压盖、3613-支撑套；4-陀螺仪回转台、41-上台板、42-下台板、43-竖杆、44-前后左右调整螺栓；5-经纬仪安装台、51-上托盘、52-滑块、53-下托盘、54-安装盘、55-前后调整螺栓、56-左右调整螺栓。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种基于天文方位角的陀螺仪校准系统，该系统包括：天文观测墩、平行光管以及位于天文观测墩和平行光管连线上的陀螺仪安置装置，该陀螺仪安置装置用于放置待校准的陀螺仪，并能够实现待校准的陀螺仪在水平面上做任意角度的调整。

如图2所示，该陀螺仪安置装置自下而上依次包括同轴设置的调整定位机构1、螺旋升降台2、角度调整机构3、陀螺仪回转台4和经纬仪安装台5，该调整定位机构1和螺旋升降台2统称为支撑机构，该经纬仪安装台5能够拆卸地设置在陀螺仪回转台4上。

该角度调整机构3用于实现陀螺仪回转台4在水平面上做任意角度的转动，该螺旋升降台2用于实现陀螺仪回转台4的上下移动，该陀螺仪回转台4用于放置待校准的陀螺仪，该经纬仪安装台5用于安装及前后左右移动经纬仪，在该调整定位机构1、螺旋升降台2、角度调整机构3、陀螺仪回转台4和经纬仪安装台5的轴向中心线上均设置有通孔，在调整定位机构1的底部通孔内设置有光源，方便装置的安装，并保障测试的可靠性。

如图3所示，调整定位机构1包括固定在地面上的下底盘11和设置在下底盘11上的上底盘12，沿上底盘12的周向均匀设置有八个第一水平调整螺栓13和四个前后定位螺栓14，这些第一水平调整螺栓13和前后定位螺栓14呈十字排列，每个端部设置有两个第一水平调整螺栓13和一个前后定位螺栓14，第一水平调整螺栓13用于调整与调整定位机构1相连的螺旋升降台2的顶面水平，前后定位螺栓14用于调整与调整定位机构1相连的螺旋升降台2的前后移动，上底盘12和下底盘11同轴设置且中心均设置有通孔，在下底盘11的通孔内还设置有背光栅格板。

在上底盘12上对应前后定位螺栓14的位置设置有长腰孔，该长腰孔的长度方向的朝向一致，前后定位螺栓14设置在长腰孔内。

在上底盘12上沿长腰孔的宽度方向的两个端部，各设置有竖直向上的两个耳朵15，在下底盘11上对应上底盘12的各个耳朵15的位置设置有竖板16，竖板16和耳朵15相隔一定距离，且设置有螺纹孔17，竖板16通过螺杆穿过螺纹孔17与对应的耳朵15相连。

如图2所示，螺旋升降台2包括相互嵌套配合的螺纹柱21和螺纹管22，螺纹柱21设置有外螺纹，内部采用中空结构，顶部设置有角度调整机构3，底部设置在调整定位机构1上，螺纹管22设置有内螺纹，外围顶部沿周向均匀设置有四个旋转手柄23，通过在水平面上依次旋转该旋转手柄23，可将将螺纹柱21旋出或旋进螺纹管22。

如图4所示，角度调整机构3包括转盘，该转盘由内向外设置有内盘31和外盘32，该内盘31和外盘32同轴设置且外盘32相对内盘31转动，内盘31设置在基座33上，陀螺仪回转台4通过隔环34设置在外盘32上，基座33通过固定板35设置在螺旋升降台3的顶面，固定板35设置在螺旋升降台3的顶面，外盘32的侧边设置有咬合锁紧机构36，该咬合锁紧机构36用于微调及锁定外盘32的转动角度。

如图4和5所示，咬合锁紧机构36包括C型夹3601，该C型夹3601包括侧壁和C型开口的上板、下板，C型开口卡在外盘32边缘，C型开口的上板和下板的中心设置有锁紧螺栓3602，该锁紧螺栓3602用于调整C型开口的大小，其一端与C型开口的下板3603固定连接，另一端设置有外螺纹，与C型开口的上板3604螺纹连接。

C型夹3601侧壁的底部通过连接板3605设置在固定板35上，侧壁垂直设置有微调机构，该微调机构用于调整C型夹3601咬合后的外盘32做周向微动。

该微调机构包括微动螺杆3606，微动螺杆3606的一端穿过第一竖板3607和C型夹3601的侧壁的一面相接触，微动螺杆3606和第一竖板3607通过螺纹配合转动，第一竖板3607固定设置在连接板3605的一侧上，C型夹3601的侧壁的另一面设置有被动杆3608，被动杆3608的一端和C型夹3601的侧壁的另一面相连，另一端穿过第二竖板3609的中孔，但不和第二竖板3609相接触，其顶端设置有圆盘块3610，圆盘块3610和弹簧3611一端相连，弹簧3611的另一端和压盖3612相连，压盖3612通过支撑套3613设置在第二竖板3609上，支撑套3613设置在弹簧3611和被动杆3608的带圆盘块3610的一端的外围，支撑套3613的一端设置在第二竖板3609上，另一端和压盖3612相连，第二竖板3609固定设置连接板3605的另一侧上，圆盘块3610的直径小于支撑套3613的内径。

固定板35和基座33之间设置有水平调整机构，该水平调整机构用于调整与角度调整机构3相连的陀螺仪回转台4的顶面水平，该水平调整机构包括沿固定板35周向均匀设置在固定板35和基座33之间的多个拉簧37和第二水平调整螺栓38，第二水平调整螺栓穿38过固定板35和基座33的底面相接触，用于调整与角度调整机构3相连的陀螺仪回转台4的顶面水平，拉簧37一端连接固定板35的顶面，另一端连接基座33的底面，该拉簧37在角度调整机构3和螺旋升降台2之间形成一定的软连接，防止在对陀螺仪回转台4做水平调整时，发生错位。

固定板35、基座33、内盘31的中心均设置有通孔，且它们的轴向中心线与螺旋升降台2、陀螺仪回转台4的轴向中心线共线。

如图2所示，陀螺仪回转台4包括相互平行的上台板41和下台板42，上台板41和下台板42之间一个相对的两侧均匀设置多个竖杆43，另外一个相对的两侧采用开放式设计，即不增加任何阻碍物。下台板42底面设置在角度调整机构3上，上台板41和下台板42的中心均设置有通孔，经纬仪安装台5能够拆卸地设置在上台板41的顶面上，上台板41的通孔能够容纳下挂式陀螺经纬仪的陀螺部通过，在上台板41上沿通孔周向均匀设置有四个前后左右调整螺栓44，利用前后左右调整螺栓44可调整下挂式陀螺经纬仪的前后左右移动。

该陀螺仪回转台4的内部尺寸不超过500mm*400mm*400mm，但是由于其开放式的设计，使得此陀螺仪回转台4能够容纳船用陀螺仪，进而可对此类型的陀螺仪进行校准，此外还可以对陀螺经纬仪、MEMS陀螺仪等多种类型的陀螺仪进行校准。

如图6和7所示，经纬仪安装台5包括由上至下依次设置有相互配合的上托盘51、滑块52和下托盘53，上托盘51、滑块52和下托盘53的中心均设置有通孔，上托盘51顶面设置有安装盘54，底面设置有第一轨道，安装盘54用于安装经纬仪；下托盘53顶面设置有第二轨道，底面设置在陀螺仪回转台4上，第一轨道和第二轨道相互垂直，滑块52能够在第一轨道和第二轨道上移动，在滑块52沿第二轨道方向的两侧各设置有一个前后调整螺栓55，通过前后调整螺栓55使滑块52沿第二轨道方向移动，在上托盘51沿第一轨道方向的两侧各设置有一个左右调整螺栓56，通过左右调整螺栓56使上托盘51沿第一轨道方向移动，这样通过前后调整螺栓55和左右调整螺栓56能够调整安装在安装盘54上的经纬仪的前后左右移动。

如图8所示，本发明还提供了一种基于天文方位角的陀螺仪校准方法，包括以下步骤：

步骤一、将经纬仪放置在经纬仪安装台5上，将经纬仪的光学中心和调整定位机构1底部的背光栅格板的标记做对中调整；

或者将下挂式陀螺经纬仪的陀螺部穿过陀螺回转台4的上台板41的通孔，设置在陀螺回转台4上，将下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的光学中心和调整定位机构1底部的背光栅格板的标记作对中调整；

步骤二、将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与真北方即零度方位角或者平行光管的所处的天文方位角比较，并做出判定的步骤。

如图9所示，其中对中调整包括以下步骤：

步骤Ⅰ、将螺旋升降台2调整到所需高度，设置在调整定位机构1的上底板12上，松开上底板12的前后定位螺栓14，调整下底板11上的穿过耳朵15的螺杆，使螺纹升降台2的中心与下底板11的背光栅格板的中心基本对齐，再将前后定位螺栓14锁紧；

步骤Ⅱ、将三角架调整到所需高度，设置在螺旋升降台2的上方，再将经纬仪固定在三角架上，使经纬仪的光学中心设置过平行光管和天文观测墩的连线上，调整经纬仪的相关部件，使其竖轴铅垂，并投影到调整定位机构1的下底板11的背光栅格板上，读取垂准点在栅格上的直角坐标位置，同时用极细笔将垂准点在栅格直角坐标面上做标记；

步骤Ⅲ、调整第一水平调整螺栓13，使螺旋升降台2的顶面水平；

步骤Ⅵ、将角度调整机构3设置在螺旋升降台2上，再将陀螺仪回转台4设置在角度调整机构3上，通过调整第二水平调整螺栓38，使陀螺仪回转台4的上台板41水平；

步骤Ⅴ、将经纬仪安装台5设置在陀螺仪回转台4上，再将经纬仪设置在经纬仪安装台5上，通过调整左右调整螺栓56和前后调整螺栓55，使经纬仪的光学中心和背光栅格板上的垂准点标记对中；

或者步骤Ⅴ、将下挂式陀螺经纬仪的陀螺部穿过陀螺回转台4的上台板41上通孔，设置在陀螺回转台4上，通过调整前后左右调整螺栓44，使下挂式陀螺经纬仪的光学中心和背光栅格板上的垂准点标记对中。

其中将测量的方位角与真北方即零度方位角比较包括以下步骤：

步骤ⅰ、将经纬仪的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶，再将待校准的陀螺仪放置在校准装置的陀螺仪回转台4里，并做水平调整；或者将下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶；

步骤ⅱ、利用角度调整机构3及经纬仪或者下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部将陀螺仪回转台4转动平行光管所处的天文方位角度，但方向与平行光管所处的方位角相反，再利用咬合锁紧机构微调，并锁定转动的角度；

步骤ⅲ、将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与真北方即零度方位角做比较。

其中将测量的方位角与平行光管的所处的天文方位角比较包括以下步骤：

步骤①、将待校准的陀螺仪放置在陀螺仪回转台4里，并做水平调整，再利用角度调整机构3将陀螺仪回转台4转动，结合咬合锁紧机构36做微调，使待校准的陀螺仪的方位角为零度方位角；

或者利用角度调整机构3将陀螺仪回转台4转动，结合咬合锁紧机构36做微调，使下挂式陀螺经纬仪测量的方位角为零度方位；角

步骤②、利用校准装置的角度调整机构3将陀螺仪回转台4转动，结合咬合锁紧机构做微调，使经纬仪或者下挂式陀螺经纬仪的经纬仪部的瞄准部里的十字光靶瞄准平行光管里的十字光靶；

步骤③、将待校准的陀螺仪或者下挂式陀螺经纬仪测量的方位角与平行光管的所处的天文方位角做比较。

本发明借助装置各部件的同轴设计、水平调整设计及中心的通孔设计，使经纬仪的光学中心能够方便地在装置底部的背光栅格板上做标记，提高校准的效率。

通过角度调整机构的同轴嵌套设计的内外盘及设置在外盘边缘的咬合锁紧机构，能够实现陀螺仪回转台上的待测陀螺仪的任意角度转动，结合经纬仪安装台的可拆卸设计及陀螺仪回转台的开放式设计，实现对多种高精度陀螺仪的校准工作，提高校准的准确性。

另外，借助平行光管的天文方位角，结合对中调整，提高了校准的精确性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。