一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法与流程

本发明属于大地测量学、天体测量与天体力学、地球动力学、惯性导航技术领域，可以用于板块运动监测、航空航天、精密导航定位、地球物理学等研究领域，提供一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法。

背景技术：

由于地球的自转过程是不稳定的，极移是用以描述地球的自转状态的一个重要参数。通过监测测站上地理纬度值的变化可推导极移变化。因此，准确地测量纬度的变化对于地球动力学、大地测量学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。

而传统的用于监测地球自转的变化的空间大地测量技术，如全球卫星定位技术gnss、卫星激光测距技术slr、甚长基线干涉测量技术vlbi等。而这些空间大地测量技术具有如下共同特点：

1.监测系统复杂且庞大，需要花费巨大的人力物力；2.观测周期长，解算方法复杂，数据处理时间长；3.无法对单个测站进行纬度测量，必须进行大范围联测。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种比现有技术精度更高且更为简便的利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体，还包括设置于外壳体中的内壳体、位于外壳体下部，用于驱动外壳体旋转的下转台，以及：

磁悬浮陀螺系统，包括设置于内壳体中的浮起装置，浮起装置通过衔接架带动陀螺房上浮或下落至初始位置，通过调节浮起装置使陀螺房上浮后处于位置稳定状态；所述的内壳体下方设置有与所述陀螺房下部连接的阻尼传感器转子，外壳体内的底部在周向分布有阻尼传感器定子；

精密测角及回转系统，用于驱动所述内壳体转动并测量转动角度，以及测量外壳体的旋转角度；

对中整平系统，用于在测量仪安装时通过指北标识进行初步指北、调整测量仪处于水平状态以及使测量仪的中心轴线穿过待测点；

计算机系统，用于驱动所述陀螺旋转或停止、驱动陀螺房浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子和阻尼传感器定子之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子电流值和阻尼传感器定子电流值、控制内壳体转动至指定角度、控制下转台转动至指定角度。

进一步地，所述的阻尼传感器转子的下部连接有陀螺下落锥，位于外壳体底部内表面的中心处设置有与所述陀螺下落锥配合的陀螺下落槽；

所述衔接架下部设置有衔接杆下落锥，位于内壳体底部设置有与所述衔接杆下落锥配合的衔接杆下落槽。

进一步地，所述的对中整平系统包括所述的指北标识、水准管、脚螺旋以及下对中标识孔，其中：

所述的指北标识位于外壳体上表面，水准管位于外壳体上表面中心处，水准管的中心轴线与测量仪的中心轴线垂直；所述下转台下部安装于水平平台上，水平平台通过其底部的脚螺旋安装在下平台上，下对中标识孔位于所述下平台的中心处。

进一步地，所述的计算机系统设置在外壳体上表面上，包括微型计算机、键盘以及显示屏。

进一步地，所述的精密测角及回转系统包括光栅度盘、回转马达以及所述的下转台，其中：

光栅度盘安装于外壳体内的顶部，其下部连接所述回转马达，回转马达下部连接所述内壳体。

进一步地，所述的浮起装置包括位于内壳体中顶部的电感线圈，在所述的衔接架上设置有与所述电杆线圈配合的衔铁；

在所述衔接架的端部分布有自准直光电传感器，所述内壳体的内壁上分布有与所述自准直光电传感器相互配合且一一对应的反射棱镜。

进一步地，所述的陀螺房内部设置有陀螺转轴，陀螺转轴的两端通过轴承安装于陀螺房内壁上，陀螺转轴上安装有陀螺。

一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，包括以下步骤：

步骤1，在待测点上安装磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，使测量仪的指北标识初步指北，并调平测量仪；

步骤2，通过计算机系统输入所需的纬度精度要求e；

步骤3，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值m甲0，然后回转马达逆时针旋转λ，采集该位置处对应的力矩值m乙0；通过以下公式计算纬度初值

上式中，h为陀螺角动量，ωe为平均地球自转角速度；

步骤4，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值m丙i，然后回转马达顺时针旋转180°，采集该位置处对应的力矩值m丁i；由以下公式计算测量仪偏北角：

其中，为上一步中的纬度解算值；

控制下转台逆时针旋转角度αi，从而使测量仪零位更加接近真北方向；

步骤5，在回转马达0°位置处进行指向力矩采样，得到该位置处对应的力矩值m甲i+1，然后回转马达逆时针旋转λ，采集该位置处对应的力矩值m乙i+1；通过下式计算地理纬度：

步骤6，判断地理纬度是否满足精度要求，如满足，则输出如不满足，则返回步骤4重新迭代计算。

进一步地，步骤3、步骤4、步骤5在每一个位置处进行力矩采样之前，先通过计算机系统依次执行以下程序：

磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，其中：

磁悬浮陀螺转动程序：陀螺接收计算机系统指令后转速从零增加到额定转速，并维持在额定转速；

磁悬浮陀螺浮起程序：电感线圈接收计算机系统指令后通电，通过衔接架带动陀螺房上浮；

磁悬浮陀螺稳定位置判定程序：控制自准直光电传感器发射激光，并接收反射棱镜反射的激光，如果发射出的激光与反射激光重合，则位置稳定；否则计算机系统调整电感线圈中电流大小以及水平电磁场大小，直至位置稳定；

力矩器测量程序：通过在阻尼传感器转子和阻尼传感器定子之间形成均匀水平电磁场，实时阻尼传感器转子内部电流值ir和阻尼传感器定子内部电流值is，则可计算出力矩值为：

m＝k·ir·is

其中，k为力矩器系数；

磁悬浮陀螺下落程序：电感线圈接收计算机系统指令后断电，陀螺房在重力作用下下落，衔接杆下落锥落入衔接杆下落槽中，陀螺下落锥落入陀螺下落槽中，从而实现磁悬浮陀螺系统的准确复位；

磁悬浮陀螺停止程序：陀螺接收计算机系统指令后转速从额定转速逐渐减速到零。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

本发明提供了一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，根据磁悬浮陀螺敏感地球自转运动的原理获取地面上某一点的地理纬度。采用发明的测量仪简单易操作，地理纬度解算方法简便，数据处理时间短，无需进行大范围联测，可以独立获取单个测站的地理纬度。

附图说明

图1为本发明利用磁悬浮陀螺测定地理纬度的原理示意图；

图2为本发明的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪处于待机状态下的内部结构示意图。

图3为本发明的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪处于悬浮状态下的内部结构示意图。

图4为本发明的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的俯视图；

图5为本发明的磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的衔接架、自准直光电传感器、反射棱镜工作状态下的俯视图；

图6为本发明方法的流程示意图；

图7为位置甲、位置乙的关系图；

图8为位置丙、位置丁的关系图。

图中标号说明：1指北标识，2微型计算机，3显示屏，4键盘，5水准管，6光栅度盘，7回转马达，8电感线圈，9外壳体，10内壳体，11衔铁，12衔接架，13反射棱镜，14自准直光电传感器，15衔接杆下落锥，16衔接杆下落槽，17陀螺房，18陀螺，19陀螺转轴，20轴承，21阻尼传感器转子，22阻尼传感器定子，23陀螺下落锥，24陀螺下落槽，25下转台，26水平平台，27脚螺旋，28下对中标识孔。

具体实施方式

本发明首先公开了一种磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，包括外壳体9，还包括设置于外壳体9中的内壳体10、位于外壳体9下部，用于驱动外壳体9旋转的下转台25，以及磁悬浮陀螺系统、精密测角及回转系统、对中整平系统和计算机系统，下面分别对每一个系统进行详细说明。

如图2所示，xx轴为磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的中心轴线，也是外壳体9及下转台25的中心轴线，yy轴为水准管5的中心轴线，yy轴与xx轴垂直。

1.磁悬浮陀螺系统

包括设置于内壳体10中的浮起装置，浮起装置通过衔接架12带动陀螺房17上浮或下落至初始位置，通过调节浮起装置使陀螺房17上浮后处于位置稳定状态；所述的内壳体10下方设置有与所述陀螺房17下部连接的阻尼传感器转子21，外壳体9内的底部在周向分布有阻尼传感器定子22；所述的浮起装置包括位于内壳体10中顶部的电感线圈8，在所述的衔接架12上设置有与所述电杆线圈8配合的衔铁11；

在所述衔接架12的端部分布有自准直光电传感器14，所述内壳体10的内壁上分布有与所述自准直光电传感器14相互配合且一一对应的反射棱镜13。所述的陀螺房17内部设置有陀螺转轴19，陀螺转轴19的两端通过轴承20安装于陀螺房17内壁上，陀螺转轴19上安装有陀螺18。

如图2和图3所示，本方案中的衔接架12由多根长度相同、同一端连接且在圆周方向上均匀分布的衔接杆构成，本实施例中衔接杆为6根，在每一根衔接杆的端部安装一个自准直光电传感器14；对应地，在内壳体10内壁上设置6个反射棱镜13。如图5所示，自准直光电传感器14发射沿杆臂方向的激光至内壳体10内侧壁上相对应的6个反射棱镜13上，自准直光电传感器14同时会接收反射棱镜13反射回的激光，若反射棱镜13反射回的激光与自准直光电传感器14射出的激光重合，则可以判定陀螺18处于稳定位置。

所述的电感线圈8以xx轴为中心、以正六边形均匀分布6个，在每一根衔接杆上部设置一个与电感线圈8配合的衔铁11。电杆线圈8通电后吸引衔铁11，从而带动陀螺房17上浮。

衔接杆杆臂下方设有衔接杆下落锥15，衔接杆下方固连有陀螺房17，陀螺转轴19的两端均通过轴承20连接在陀螺房17上，陀螺18可带动陀螺转轴19进行旋转。陀螺房17下方与阻尼传感器转子21固连，阻尼传感器转子21下方固连有陀螺下落锥23，在磁悬浮陀螺系统浮起并下落后陀螺下落锥23落入外壳体9内壁下方的陀螺下落槽24中，同时衔接杆下落锥15准确下落在内壳体10内壁下方的衔接杆下落槽16中，从而保证磁悬浮陀螺系统浮起以后下落的准确复位。阻尼传感器定子22位于外壳体9内表面处的下方，阻尼传感器转子21与阻尼传感器定子22间可产生均匀的水平电磁场。

2.精密测角及回转系统

用于驱动所述内壳体10转动并测量转动角度，以及测量外壳体9的旋转角度；具体地，所述的精密测角及回转系统包括光栅度盘6、回转马达7以及所述的下转台25，其中：光栅度盘6安装于外壳体9内的顶部，其下部连接所述回转马达7，回转马达7下部连接所述内壳体10。

所述的光栅度盘6可精确测量与控制回转马达7以及下转台25转动的角度，回转马达7可带动内壳体10及其内部装置以及衔接架12、陀螺房17及其内部装置、阻尼传感器转子21、陀螺下落锥23围绕xx轴回转至任意角度，并可接收微型计算机2的指令回转至指定的位置上。下转台25可以接收微型计算机2的指令并使整个外壳体9及其内部装置围绕xx轴旋转至指定位置。

3.对中整平系统

用于在测量仪安装时通过指北标识1进行初步指北、调整测量仪处于水平状态以及使测量仪的中心轴线穿过待测点；所述的对中整平系统包括所述的指北标识1、水准管5、脚螺旋27以及下对中标识孔28，其中：

所述的指北标识1位于外壳体9上表面，指北标识1标定了测量仪零位，即光栅度盘6的0°位置处以及回转马达7的零位。在测量仪安装时，将指北标识1粗略对准该点处的真北方向(使指北标识1与该点处真北方向夹角小于±10°以内)以进行初步指北。水准管5位于外壳体9上表面中心处，水准管5的中心轴线与测量仪的中心轴线垂直；所述下转台25下部安装于水平平台26上，水平平台26通过其底部的脚螺旋27安装在下平台上，下对中标识孔28位于所述下平台的中心处。安装时，通过在下对中标识孔28中安装垂球保证测量仪的中心轴线xx轴穿过待测点，调节脚螺旋27使水准管5气泡居中，此时测量仪在yy轴方向上处于水平状态，xx轴穿过测点。

4.计算机系统

用于驱动所述陀螺18旋转或停止、驱动陀螺房17浮起或下落以及浮起后的位置稳定判断、在所述阻尼传感器转子21和阻尼传感器定子22之间形成均匀水平电磁场并采集阻尼传感器转子21电流值和阻尼传感器定子22电流值、控制内壳体10转动至指定角度、控制下转台25转动至指定角度。计算机系统设置在外壳体9上表面上，包括微型计算机2、键盘4以及显示屏3。

计算机系统是整个磁悬浮陀螺地理纬度测量仪的控制中心，其中的磁悬浮陀螺地理纬度测量程序由以下几个子程序组成：

磁悬浮陀螺转动程序：陀螺18接收计算机系统指令后转速从零增加到额定转速，并维持在额定转速。

磁悬浮陀螺浮起程序：电感线圈8接收计算机系统指令后通电，衔接杆上的衔铁11受到磁力影响，拉起下方的陀螺房17及其内部装置、阻尼传感器转子21、陀螺下落锥23等一起向上浮起。

磁悬浮陀螺稳定位置判定程序：如图5所示，衔接杆杆头上的自准直光电传感器14发射沿杆臂方向的激光至内壳体10内侧壁上相对应的6个反射棱镜13上，自准直光电传感器14同时会接收反射棱镜13反射回的激光，若6组反射棱镜13反射回的激光与自准直光电传感器14射出的激光均重合，则可以判定陀螺18处于稳定位置。若反射棱镜13反射回的激光与自准直光电传感器14射出的激光不重合，则通过调整相应的衔接杆杆臂下方的电感线圈8电流大小以及阻尼传感器转子21与阻尼传感器定子22之间的均匀水平电磁场大小，直至6组反射棱镜13反射回的激光与自准直光电传感器14射出的激光均重合。

力矩器测量程序：通过在阻尼传感器转子21与阻尼传感器定子22之间形成均匀水平电磁场，实时采集阻尼传感器转子21内部的电流值ir以及阻尼传感器定子22内部的电流值is，则可计算出力矩值为

m＝k·ir·is

其中，k为力矩器系数，k值在磁悬浮陀螺出厂时已经由生产厂家精确标定事先得出储存于微型计算机2中。测量出力矩值大小m以后将结果保存在微型计算机2中。

磁悬浮陀螺下落程序：电感线圈8接收计算机系统指令后断电，悬浮体在重力作用下下落，衔接杆下落锥15落入衔接杆下落槽16中，陀螺下落锥23落入陀螺下落槽24中，从而实现磁悬浮陀螺系统的准确复位。

磁悬浮陀螺停止程序：陀螺18接收计算机系统指令后转速从额定转速逐渐减速到零。

悬浮体回转程序：回转马达7接计算机系统指令后，带动内壳体10及其内部固连的电感线圈8、反射棱镜13以及衔接架12、陀螺房17及其内部装置、阻尼传感器转子21、陀螺下落锥23围绕xx轴回转至光栅度盘6所指定的角度上。回转完成后，光栅度盘6进行精密角度测量，判定是否回转到指定角度上。

转台旋转程序：下转台25接收计算机系统指令后，使整个外壳体9及其内部装置围绕xx轴旋转至光栅度盘6所指定的角度上，下转台25旋转完成后，光栅度盘6进行精密角度测量，判定下转台25是否旋转到指定角度上。

本发明的理论依据如下：

如图1所示，回转马达7首先在在位置a处测量力矩值ma，然后逆时针旋转一个小角度λ转至位置b处测量力矩值mb。位置a与位置b之间的夹角λ可通过光栅度盘6精确测量得出。根据磁悬浮陀螺的物理性质，有

式中，h为磁悬浮陀螺角动量，h值在磁悬浮陀螺出厂时已经由生产厂家测定储存于测量仪中；ωe为平均地球自转角速度，ωe＝7.292115147×10^-5rad/s，为该点处的地理纬度；α为回转马达7与真北方向的夹角。

将两式做差，得

当α为一个小角度(几度)时，即当测量仪架设时指北标识1与待测点处真北方向的夹角为一个小角度时，有

sin(α+λ)-sinα≈sinλ式4

则此时，公式3转化为

进而可求解出该点处的地理纬度值

由推导过程可知，的精度与α的大小有直接关系：在其他条件一定时，α越小，地理纬度解算精度越高。由于在测量仪初始架设时，难以保证测量仪的指北标识1与待测点处真北方向的夹角为一个小角度(几度)，因此本发明采用迭代的方法，逐渐使测量仪的指北标识1与待测点处真北方向的夹角越来越小，从而使测量仪可测定出高精度的地理纬度。

在上述技术方案的基础上，本发明进一步公开了一种利用磁悬浮陀螺精密测定地理纬度的方法，包括以下步骤：

步骤1，安置测量仪

在待测点上安置磁悬浮陀螺地理纬度测量仪，使测量仪指北标识1与该点处真北方向夹角小于10°以内以进行初步指北，调节脚螺旋27使水平平台26保持水平；在下对中标识孔28中安装垂球并使其通过待测点，则此时测量仪在yy轴方向上处于水平状态，xx轴穿过待测点；

步骤2，输入所需的纬度精度要求e

按下键盘4的开机按钮打开微型计算机2，显示屏3亮起，通过键盘4输入所需的纬度精度要求e，并点击确认按钮；

步骤3，纬度初值解算

接收到微型计算机2的指令后进行指向力矩采样：按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，得到回转马达7的0°位置处(如图7中所示位置甲)处对应的力矩值m甲0，然后悬浮体回转程序启动，回转马达7逆时针旋转λ，再一次按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，采集乙位置处(如图7所示)对应的力矩值m乙0；通过以下公式计算纬度初值

上式中，h为陀螺18角动量，h值在磁悬浮陀螺出厂时已经由生产厂家测定储存于测量仪中；ωe为平均地球自转角速度；ωe＝7.292115147×10-5rad/s；将纬度初值保存于微型计算机2中；

最后，悬浮体回转程序启动，回转马达7顺时针旋转λ回到零位。本实施例中，λ取值为0.2，也可以取值为任意小角度。

步骤4，测量仪近北

接收到微型计算机2的指令后进行指向力矩采样：按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，得到回转马达7的0°位置处(如图8中所示位置丙)对应的力矩值m丙i；然后悬浮体回转程序启动，回转马达7顺时针旋转180°，再一次按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，采集丁位置处(如图8所示)对应的力矩值m丁i；由以下公式计算测量仪偏北角：

其中，为上一步中的纬度解算值；

最后，悬浮体回转程序启动，回转马达7顺时针旋转180°回到零位；转台旋转程序启动，测量仪下方的转台逆时针旋转αi，使测量仪零位更加接近真北方向；

步骤5，地理纬度解算

接收到微型计算机2的指令后进行指向力矩采样：按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，得到回转马达7的0°位置处(如图7中所示位置甲)对应的力矩值m甲i+1；然后悬浮体回转程序启动，回转马达7逆时针旋转λ，再一次按顺序依次执行磁悬浮陀螺转动程序、磁悬浮陀螺浮起程序、磁悬浮陀螺稳定位置判定程序、力矩器测量程序以及磁悬浮陀螺下落程序、磁悬浮陀螺停止程序，采集该位置处(如图7中所示位置乙)对应的力矩值m乙i+1，通过下式计算地理纬度：

将地理纬度解算结果保存于微型计算机2中。最后，悬浮体回转程序启动，回转马达7顺时针旋转λ回到零位。

步骤6，判断地理纬度是否满足精度要求：

若则不满足精度要求，返回步骤4重新迭代计算；

若则满足要求，即得到待测点最终的地理纬度值并将显示到显示屏3上；

其中，当第一次计算时，的取值为步骤3中的纬度初值；当第i(i>1)次计算时，为前一次计算的值，即上一次迭代值。

需要说明的是本发明并不仅限于上述具体实施例，还可根据本发明的构思得到其他不同的具体方案，例如本发明可以不需要进行迭代直接测量纬度值；在地理纬度解算中选择的两个位置为0°和逆时针旋转的λ＝0.3°处测量指向力矩，也可以选择其他角度；诸如此等改变以及等效变换等均落入本发明的保护范围之内。