[科普中国]-陀螺六分仪

简介

由陀螺水平仪提供测量水平基准的六分仪。陀螺六分仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。

陀螺六分仪由两个望远镜、一个角度测量头、一个基准平台以及计算装置组成。角度测量头装在具有3个1自由度的框架上，平台上装有一个平面镜、棱镜组合件和一个陀螺组件，它测量月球明亮边缘和亮星之间的夹角。当测量第一颗恒星与月球中心之间夹角时，航天器位于锥面的某个地方，此锥体的顶点在月球中心的位置上，而锥体轴在恒星方向上。对另一颗恒星和月球进行第二次测量，建立起另一个锥面。航天器位于两个锥面的两条相交线上，其中有一条是假的，可根据航天器飞行的物理特性来识别其真假。2 航天器的姿态是通过测量两颗或两颗以上的恒星，与固定在六分仪基座上的基准反射镜之间的夹角来确定的。装在望远镜内的光源可以自动对准基准反射镜，因而可作为望远镜的基准。相对于基准反射镜的夹角确定了惯性空间的一个方向，另一个姿态方向是通过测量一个或几个恒星与棱镜组件之间夹角来确定的。棱镜组件则安装在基准反射镜上，与反射镜有一仰角。两次测量经过处理机处理后便得到精确的姿态信息。
这种陀螺六分仪由美国空军从1973年开始组织研制，从1975年到1978年完成工程模型硬件研制，在1982年通过航天飞机进行的飞行实验，20世纪80年代后期正式提供使用。根据在航天飞机进行的飞行实验结果，陀螺六分仪可以同时提供轨道和姿态的测量结果。轨道位置精度为240 m，速度精度为O．03 m/s。这些精度与轨道高度有关，轨道高度越低，速度精度越高。三轴姿态精度为1”(角度)。空间六分仪质量25 kg，功耗50 w，设计寿命5年。

特性陀螺六分仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性(inertia or rigidity)，另一是进动性(precession)，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺六分仪上时，陀螺六分仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺六分仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：3

1.转子的转动惯量愈大，稳定性愈好;

2.转子角速度愈大，稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大;反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺六分仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴，陀螺六分仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺六分仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。4

进动方向这可用右手定则判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。

进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为进动角速度ω=M/H。

进动性的大小也有三个影响的因素：

1.外界作用力愈大，其进动角速度也愈大;

2.转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小;

3.转子的角速度愈大，进动角速度愈小。

用途陀螺六分仪最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，5陀螺六分仪能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺六分仪能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺六分仪能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺六分仪的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。6

现在广泛使用的MEMS陀螺(微机械)可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：

1.体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。

2.低成本。

3.高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。

4.低功耗。

5.大量程。适于高转速大g值的场合。

6.易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。