陀螺六分儀

由陀螺水平儀提供測量水平基準的六分儀。

基本介紹

• 中文名：陀螺六分儀
• 外文名：gyro sextant
• 性質：六分儀
• 類似六分儀：擺式六分儀、潛望六分儀
• 目的：導航
• 測量基準：陀螺水平儀

簡介

由陀螺水平儀提供測量水平基準的六分儀。陀螺六分儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀表。從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬於剛體繞一個定點的轉動運動。

陀螺六分儀由兩個望遠鏡、一個角度測量頭、一個基準平台以及計算裝置組成。角度測量頭裝在具有3個自由度的框架上，平台上裝有一個平面鏡、稜鏡組合件和一個陀螺組件，它測量月球明亮邊緣和亮星之間的夾角。當測量第一顆恆星與月球中心之間夾角時，太空飛行器位於錐面的某個地方，此錐體的頂點在月球中心的位置上，而錐體軸在恆星方向上。對另一顆恆星和月球進行第二次測量，建立起另一個錐面。太空飛行器位於兩個錐面的兩條相交線上，其中有一條是假的，可根據太空飛行器飛行的物理特性來識別其真假。 太空飛行器的姿態是通過測量兩顆或兩顆以上的恆星，與固定在六分儀基座上的基準反射鏡之間的夾角來確定的。裝在望遠鏡內的光源可以自動對準基準反射鏡，因而可作為望遠鏡的基準。相對於基準反射鏡的夾角確定了慣性空間的一個方向，另一個姿態方向是通過測量一個或幾個恆星與稜鏡組件之間夾角來確定的。稜鏡組件則安裝在基準反射鏡上，與反射鏡有一仰角。兩次測量經過處理機處理後便得到精確的姿態信息。
這種陀螺六分儀由美國空軍從1973年開始組織研製，從1975年到1978年完成工程模型硬體研製，在1982年通過太空梭進行的飛行實驗，20世紀80年代後期正式提供使用。根據在太空梭進行的飛行實驗結果，陀螺六分儀可以同時提供軌道和姿態的測量結果。軌道位置精度為240 m，速度精度為O．03 m/s。這些精度與軌道高度有關，軌道高度越低，速度精度越高。三軸姿態精度為1”(角度)。空間六分儀質量25 kg，功耗50 w，設計壽命5年。

特性

陀螺六分儀被廣泛用於航空、航天和航海領域。這是由於它的兩個基本特性：一為定軸性(inertia or rigidity)，另一是進動性(precession)，這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。

定軸性

當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺六分儀上時，陀螺六分儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向;同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺六分儀的定軸性或穩定性。其穩定性隨以下的物理量而改變：

1.轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好;

2.轉子角速度愈大，穩定性愈好。

所謂的“轉動慣量”，是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用於兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大;反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。

進動性

當轉子高速旋轉時，若外力矩作用於外環軸，陀螺六分儀將繞內環軸轉動;若外力矩作用於內環軸，陀螺六分儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺六分儀的進動性。進動角速度的方向取決於動量矩H的方向(與轉子自轉角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

進動方向這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然後手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進動角速度的方向。

進動角速度的大小取決於轉子動量矩H的大小和外力矩M的大小,其計算式為進動角速度ω=M/H。

進動性的大小也有三個影響的因素：

1.外界作用力愈大，其進動角速度也愈大;

2.轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小;

3.轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。

用途

陀螺六分儀最早是用於航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的套用。不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號感測器。根據需要，陀螺六分儀能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或太空梭等航行體按一定的航線飛行，而在飛彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺六分儀能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺六分儀能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探以及飛彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺六分儀的套用範圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。

現在廣泛使用的MEMS陀螺(微機械)可套用於航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫學、環境監控等領域。並且MEMS陀螺相比傳統的陀螺有明顯的優勢：

1.體積小、重量輕。適合於對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等。

2.低成本。

3.高可靠性。內部無轉動部件，全固態裝置，抗大過載衝擊，工作壽命長。

4.低功耗。

5.大量程。適於高轉速大g值的場合。

6.易於數位化、智慧型化。可數字輸出，溫度補償，零位校正等。