（3）根据摆所测出的高度角信，对陀螺施加控制力矩，使陀螺主轴被强制在水平面内；（4）对陀螺主轴的振荡运动加以阻尼，陀螺主轴最终将稳定在当地的子午线方向。1.4摆式陀螺罗经20批纪初，为了舰船导航和火炮控制，在舰船上迫切需要建立跟踪“当地垂线”（Localvertical）和子午线方向的导航仪器，它们分别为“陀螺垂直仪”和“陀螺罗经”。下面详细介绍“摆式陀螺罗经"的工作原理（图1一4）：了年午面陀螺角动量的振荡轨迹无摇链有摆锤卜极轴同时有摆锤和阻尼器水准面0阻尼器陀螺/主体摆铺图1一4摆式陀螺罗经的工作原理（0）如果陀螺主轴偏离了当地了午线的方向（北向），同时陀螺主，15.PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
轴的漂移速度（稳定性）小地球自转速度的水平分量。在这种情况下，陀螺主轴方向本身保持稳定，在衣观运动上，陀螺主翰将偏离水平面。（2）一且陀螺主轴偏离了水平面，川以采用摆锤产牛的力矩（下摆性）对陀螺施圳控制，使陀螺主轴进动，回到当地子午线的方向。这时，陀螺主轴将围绕当地子午线的方向产生振荡，其轨迹为椭圆形的锥面。（3）在上述振荡得到阻尼之后，陀螺主轴将稳定在子午线的方向L。1908一1911年，德国Anschurz和美国Sperry等公司先后提出了多种摆式陀螺罗经的发明专利，并开发成为产品，参看图1一5和图1一6。它们的工作原理是相同的，都是由陀螺仪、摆以及阻尼器等一个部件所纽成，但在摆和阳尼器的结构方面各有特色。陀螺王体北端容器肉端容器R1.1Retcos I.g7图1-5Anschutz陀螺罗经在建立摆式陀螺罗经中，一个重要的问题是消除舰船摇摆、冲击、以及盘旋等下扰对摆的影响。换句话说，在动基座上，摆应当始终保持在“真垂线”（Trucvertical)的方间上。这是控制理论中的“不变性原理”（Principleufinvariance）问题，将在下面介绍。-16:PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
罗经衣盐航向环圈方位角驱动伺服电机支架假支架环（固定在壳体上）吊丝水银容器（南端）水银容器（北端）偏心辅冲击支管水银容器连通管图1-6Spery陀螺罗经1.5Schuler 周期1923年，德国物理学家M.Schuler分析了摆不指向“真垂线”方向g的原因。在图1-7中,P为摆的质心，G为地球的引力，f为引力与惯性力一者的合力，在INS的分析，称为“比力”（Specificforcc）。在运动载体上，比力所指的方向f称为“表观垂线”（Apparentvertical)d2f-G(1 2)REPdt2M.Schulcr证明，为了建立“无扰动的摆”，其摆长应等于地球的半径R。相应的周期称为“Schuler周期”，可而T来表示。这样的摆将不受载体运动加速度的十扰，始终指向“真垂线”的方向。T, = 2 V R/g = 84,4 min17PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
P?RppP2REPG(引)4真垂线表观垂线E图1-7Schuler摆1.6惯性导航系统闭环控制的特点在INS中，为了得到载体在导航坐标系中的速度和位普信号，首先需要对加速度计的输出信孕进行坐标变换，扣除其中的牵连加速度和重力加速度分量，得到载体与地球之间的相对运动加速度。然后，对相对运动加速度进行次和次积分计算，可以得到载体的速度和位移信号。在INS中，为了测量载体的姿态角，不仅需要对平台进行控制，使之跟踪当地大地水准面和子个面的转动，面且在载体作机动航行时，仍应保持平台始终不偏离当地的大地水准面和子午面。为此，需要根据控制理论中的“不变性原理”来设计平台的控制路。在1.5节中介绍的Schulcr周期就是不变性控制原理在陀螺导航仪器和INS中的具体应用。在INS中，加速度计和陀螺仪将提供载体的运动加速度信号，计算机推算载体的姿态角、速度和位移等导航信号。它们之间的计算公式被称为“INS的机械编排方程”。INS是数字式控制系统，它的导航计算机具有以下三项功能：（1）推算导航系统的输出信号；.18:PDF文件使用“pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
（2）计算对陀螺稳定平台的挖制指令：（3）实时估计并补偿导航系统中的主要误差。在[VS中，导航误差的来源可以分为以下四个方面：（1）陀螺仪和加速度计的误差，包括安装误差等：（2）简化导航信号计算方程所带来的误差；（3）在出厂前的"校准”（Calibration）过程中，对INS误差的标定和补偿误差；（4）在转人“导航”丫作状态之前，INS必须先进行"初始对准"（Initialalignmnent)。在初始对准后，仍然存在定的方位和水平姿态角误差。INS是以“地球重力场”和“地球自转角速度”这两个物量为基准而建立起来的“闭环”控制系统，这·点和摆式陀螺岁经的工作原理足相同的。不同之处是：（1）在INS中，陀螺仪直接测量地球的自转角速度，并跟踪其方向，从而构成“闭坏”的控制系统；（2）在罗经中，则通过加速度计和地球自转间接地测量陀螺主轴偏离子千面的误差。因此，INS可以被称为“速率陀螺罗经”。在INS中，方位控制是“闭环"的，这·一特性似乎很具有吸力。但是在实际上，由于地球的自转角速度很低，同时，载体的运动角速度却较大，速率陀螺罗经在动态环境中是无法工作的。由此可见，在“闭环"控制方面，INS具有以下特点：（1）在静止基础上处于“校准”和“初始对准”工作状态时，INS是跟踪“地垂线”和“子午线”方间的“闭环”控制系统，其信号器分别为加速度计科陀螺仪；（2）在动态基础上处于“导航"工作状态时，INS的自出振荡频率必须等于Schuler频率，因而远低于载体的角运动T扰频率。因此，在动态基础上，INS无法实现“闭环”控制，只能在开环状态下工作。出此得出一条重要结论：在“导航”1.作状态下，INS基本上是一种“开环"控制系统，其导航信号的精度基本.上取决于INS中陀螺仪和加速度计的性能。.19.PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn