陀螺罗经误差及其消除

第一章第一章陀螺罗经误差及其消除陀螺罗经误差及其消除 陀螺罗经的主轴在方位上偏离地理真北方向的角度称为陀螺罗经误差。 陀螺罗经误差也 是船舶真航向与陀螺罗经航向之间的差值或真北与陀螺罗经北之间的差角。 陀螺罗经误差有 纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差。 第一节第一节 纬度误差纬度误差 (latitude error)(latitude error) 一一. .纬度误差产生的原因纬度误差产生的原因 在第一章讨论具有阻尼重物的液体连通器单转子式陀螺罗经时指出,在北纬 φ 处的静止 基座上稳定位置为 M D   tg  r M （2－1） H 2 r   M 由(2－1)式可见,位于北纬 φ 处的具有阻尼重物的水银器式罗经,稳定后罗经主轴并不 恰好位于子午面内,而是偏离子午面一个角度 αr,当罗经的结构参数 M、MD确定后, αr角仅 与地理纬度 φ 有关,故称为纬度误差。 以具有阻尼重物的液体连通器式罗经为例,分析纬度误差产生的原因消除方法。当罗经 稳定后,罗经主轴指北端自水平面升高 θr角,产生沿水平轴 OY 负向的控制力矩 MY=-Mθr,使 主轴产生绕垂直轴 OZ 正向的主进动角速度 ωPZ,主轴指北端向西主进动的线速度 u2= Mθr, 与位于北纬 φ 处因地球自转角速度垂直分量 ω2的影响,使主轴指北端东偏的线速度 V2=Hω2 等值反向,亦即 u2＝V2。 于是,罗经主轴相对于子午面获得稳定。 由于罗经主轴指北端自水平 面升高 θr角,阻尼重物则产生与 θr角成正比的阻尼力矩 MDθr沿垂直轴 OZ 作用,指 OZ 轴的 正向。因此,阻尼力矩 MZ将引起罗经主轴绕水平轴 OY 的阻尼进动角速度 ωPY＝MDθr/H,亦 即主轴指北端以阻尼进动线速度u3= MDθr向下运动,罗经主轴不能在子午面内r 点稳定。欲 使罗经主轴获得相对于水平面的稳定。 只有借助于主轴相对于水平面的升降视运动的线速度 V 1=Hω2α 与阻尼进动线速度 u3 的平衡。 子午面子午面为此,主轴指北端只有自子午面向东偏 离适当的方位角 αr,并满足条件: V 1  u 3  H1r  M Dr V V1 1 （2－2） θ θr r WW r r u u2 2 V V2 2 u u3 3 E E水平面水平面 即阻尼力矩 MDθr使主轴指北端向 下进动的线速度 u3与视运动线速度 V1 α αr r 等值反向。在高度上获得稳定,如(图 2-1)所示。 图图 2 2－－ 不难看出,产生纬度误差的原因是 由于了采用垂直轴阻尼法。 因此,纬度误 差是采用垂直轴阻尼法罗经特有的误差;它属于垂直轴阻尼法陀螺罗经固有的特性。 二二. .纬度误差的消除方法纬度误差的消除方法 为了提高陀螺罗经的使用精度,应想方设法对纬度误差进行补偿,最好完全予以消除。 实 践中,对纬度误差的补偿方法有两种——外补偿法和内补偿法。 (1)外补偿法,是利用一套解算装置,根据误差公式计 算出误差的大小和符号 ,从罗经的航向读数中扣除误差的 方法。 可通过转动基线或罗经刻度盘,使基线与转动的角度 等于误差值,或罗经刻度盘使其转动的角度与纬度误差 αrφ 等值反向,从罗经刻度盘上读取的航向即为不包含误差的 真航向。 需强调指出,外补偿法仅从罗经刻度盘中扣除误差 值,并未改变罗经主轴的稳定位置。 (2)内补偿法或称力矩式补偿法,是利用一套解算装置, 计算并输出与误差相关的补偿力矩,抵消引起误差的力矩， 使主轴可稳定在子午面内,从根本上消除了误差的方法。 图图 2 2－－2 2 在实践中纬度误差内补偿方案有两种 :对陀螺罗经的 水平轴 OY 施加纬度误差补偿力矩,即 MYφ＝Hω2；或对罗经的垂直轴OZ 施加纬度误补偿力 矩,即 MZφ＝εHω2。在 Sperry MK37 型罗经中采用垂直轴内补偿方案（ε＝（MD/M） ） 。在阿 玛—勃朗 10 型罗经中采用水平轴内补偿方案。 需要说明的是，补偿力矩的符号是与罗经所在纬度极性有关的， 如将符号取反，不仅不 能消除误差，反而使误差增大一倍。因此，使用罗经时应正确判断纬度极性。 第二节第二节 速度误差速度误差(speed error)(speed error) 在第一章中所讨论的陀螺罗经稳定位置都是建立在罗经基座为静止状态。 但是一部罗经 总是要随船运动,即基座不是静止的。基座的运动会使罗经主轴的牵连运动速度发生变化 , 结果必然引起罗经稳定位置发生变化。 使罗经产生了新的误差——速度误差。 船舶以恒向恒 速运动时， 陀螺罗经主轴的稳定位置， 与航速为零时主轴的稳定位置二者在方位上的夹角称 为速度误差。速度误差是与船舶速度、航向和地理纬度有关的指向误差。注意,速度误差仅 指船舶作恒向恒速运动时出现的指向误差,不考虑任何加速度的影响。 一一. .船舶恒速恒向航行时的旋转角速度船舶恒速恒向航行时的旋转角速度 船舶恒速恒向航行时，航速V 在子午圈和纬度圈之切线上的分量为 V N V cosC （2－3） VV sinC  E 式中VN及VE分别称为船舶航速的北向分量和东向分量,C为船舶真航向,VN使地理坐标 系绕 OW 轴以角速度 VN/Re作相对心的转动,其角速度矢量将指 OW 轴正向。VE使地理坐标 系绕地轴 PNPS以角速度 VE/Recosφ 转动,其角速度矢量将指向地球北极,与地球自转角速度 ωe同向。 由此得到包括地球自转和船舶作恒向恒速航行在内的牵连运动角速度在地理坐标系 ONWZ0各坐标轴上的分量（如图2-3）为 V E 1  N R e  V N  （2－4）   W R e  V E  tg 2  Z0 R e  上式表明水平面将以 ωN绕 ON 轴旋转， 如 图图 2 2－－3 3 陀螺罗经主轴不指北而存在一个方位角α，将产生高度上的东升西降视运动线速度 V 1  H( 1  V E)；子午面将以绕 OZ0轴旋转，引起陀螺罗经主轴方位上的视运动。 R e 二二. .速度误差的物理实质及其特性速度误差的物理实质及其特性 1. 1.物理实质物理实质 我们以液体阻尼器陀螺罗经为例来阐述其产生速度误差的物理实质,如图 2-4 所示。在 φN处,假设船舶以航速 V 偏北航向 C 在地球表面上航行,在时间 t1船舶位 于 A1位置,陀螺罗经主轴的稳定位置 位于 r1点。经过某一时间后在时间t2, 船舶位移 A2。由于船舶存在航速的北 向分量VN船舶所在的水平面将以角速 度 ωW=VN/Re绕地心转动,其角速度指 OW 轴的正向,即指西方。 由于定轴性, 罗经主轴保持它在空间的指向不变 , 在船舶上的人们发现罗经主轴相对船 舶所在的水平面上升 ,上升的线速度 为 V3=H(VN/Re)。 显然,罗经主轴在 r1 处的稳定条件被破坏 ,欲使罗经主轴 仍能获得稳定 ,则必须有一个大小与 V3相等而方向与之相反的视运动速度 与 V3平衡。为此,罗经主轴则必须自 子午面向西偏离一个方位角 αrv,以便 产生向下的视运动线速度 V1,当罗经r r2 2r r1 1 主轴自子午面向西偏离的方位角αrv