Полуавтоматический трехстепенный гирокомпас

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Ю.Г. Егоров, Т.Н. Лаптева 
 
 
ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЙ  
ТРЕХСТЕПЕННЫЙ ГИРОКОМПАС  
 
 
Методические указания к лабораторной работе  
по дисциплинам «Инерциальные навигационные системы»  
и «Моделирование и испытание инерциальных  
навигационных систем» 
 
 
 
Под редакцией Ю.Г. Егорова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 0 7  

УДК 629.7.05 
ББК 39.57-5 
Е302 
Рецензент И.С. Потапцев  

 
Егоров Ю.Г., Лаптева Т.Н.  
   
 
       Полуавтоматический трехстепенный гирокомпас: Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам 
«Инерциальные навигационные системы» и «Моделирование инерциальных навигационных систем» / Под ред.  
Ю.Г. Егорова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 
— 40 с.: ил.  

Изложены основы теории трехстепенных гирокомпасов, описаны принципы действия, конструкция и алгоритмы работы полуавтоматического трехстепенного гирокомпаса 1Г25-1. 
Для студентов 4-го и 5-го курсов, обучающихся по специальности «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» 
на основном и отраслевом факультетах МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
УДК 629.7.05 
ББК 39.57-5 

 

Методическое издание 

Юрий Григорьевич Егоров 
Татьяна Николаевна Лаптева 

ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЙ  
ТРЕХСТЕПЕННЫЙ ГИРОКОМПАС 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор Г.С. Беляева 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 24.09.2007. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Печ. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,33. Уч.-изд. л. 1,83. Тираж 200 экз. 
Изд. № 17. Заказ          . 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

Е302 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 

БП 
— 
блок питания; 
БПИУ 
— 
блок преобразования информации и управления; 
БУ 
— 
блок управления; 
ГК 
— 
гирокомпас; 
ДДС 
— 
двоично-десятичный счетчик; 
ДУ 
— 
деление угломера; 
ДУСС 
— 
датчик угла следящей системы; 
КВП 
— 
коммутатор ввода поправки 
КЭ 
— 
контрольный элемент; 
ЛЭ 
— 
логический элемент; 
МС 
— 
медленная скорость; 
ОС 
— 
обратная связь; 
СК 
— 
следящий корпус; 
СПН 
— 
схема повышения напряжения; 
СФТР 
— 
система фиксации точек реверсии; 
УАФ 
— 
устройство амортизационно-фиксирующее; 
УКАМГ — 
устройство коммутации электрических цепей 
арретирующего механизма гироскопа; 
УКРГ 
— 
устройство коммутации режима работы  
гиромотора; 
УРСК 
— 
устройство разворота следящего корпуса; 
УСС 
— 
усилитель следящей системы; 
ЧЭ 
— 
чувствительный элемент. 

Цель работы — ознакомление с принципом действия и конструкцией полуавтоматического трехстепенного гирокомпаса  
1Г25-1; экспериментальное определение азимута контрольного 
элемента (КЭ). 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О ГИРОСКОПИЧЕСКОМ ОРИЕНТИРОВАНИИ 

Азимутом называется угол, отсчитываемый в плоскости горизонта по направлению часовой стрелки от направления на север 
(от плоскости меридиана) до направления на предмет (контрольный элемент). 
Определение азимутов с помощью гирокомпасов называется 
гироскопическим ориентированием. 
Гирокомпас — гироскопический прибор для автономного определения азимутов направлений на земной поверхности. В качестве датчика направления плоскости астрономического меридиана 
служит гироскоп, а для угловой привязки ориентируемых направлений к направлению меридиана используется угломерная часть. 
По степени автоматизации процессов определения азимутального направления гирокомпасы делят на следующие основные типы: 
– визуальные; 
– полуавтоматические; 
– автоматические. 
В визуальных гирокомпасах основные операции по определению азимутального направления осуществляет человек-оператор. 
В полуавтоматических гирокомпасах используется визуальный и 
автоматический способы определения азимутального направления. 
В автоматических гирокомпасах операции по определению азимутального направления выполняются без участия оператора.  

Принцип действия визуальных, полуавтоматических и автоматических трехстепенных гирокомпасов основан на использовании 
свойств тяжелого трехстепенного гироскопа, у которого наружная 
ось подвеса y вертикальна и центр масс смещен из центра подвеса 
вдоль оси y вниз. В общем случае гироузел прибора состоит из гиромотора 5 со штангой 4, свободно подвешенного с помощью гибкого или жесткого торсиона 2 в корпусе 6 (рис. 1).  

 
 

При использовании гибкого торсиона его верхний конец жестко закрепляют в специальном следящем корпусе 1 (рис. 1, а). При 
применении жесткого торсиона его верхний конец связан с ротором 7 магнитного подвеса, статор 8 которого закреплен на следящем корпусе (рис. 1, б). Для уменьшения вредных моментов, обусловленных упругой закруткой гибкого торсиона или моментов 
электромагнитных сил тяжения в магнитном подвесе жесткого 
торсиона, осуществляют синхронное слежение корпуса 1 за азимутальным движением гиромотора 5 с помощью специальной следящей системы. 

а 
б 
в 

Рис. 1. Иллюстрация принципа работы гирокомпаса: 
1 — следящий корпус; 2 — торсион; 3 — лимб; 4 — штанга; 5 — гиромотор;  
6 — корпус; 7 — ротор магнитного подвеса; 8 — статор магнитного подвеса 

Движение гиромотора (чувствительного элемента гироузла) 
вокруг оси y наблюдается оператором с помощью оптической системы и фиксируется по лимбу 3 в визуальных или полуавтоматических гирокомпасах или преобразуется в цифровую форму с помощью преобразователя «вал — код» в полуавтоматических и 
автоматических гирокомпасах. По полученным данным определяют отсчет, соответствующий направлению на север. Для получения уравнений движения трехстепенного маятникового гирокомпаса рассмотрим схему, показанную на рис. 2. 
 

 
Рис. 2. Схема движения  
чувствительного элемента гирокомпаса 
 
Здесь введены следующие обозначения: 
H  — вектор кинетического момента гирокомпаса;  
OELN — географическая система координат (ось ОN — направлена на север, ось ОL — по отвесной линии, ось ОE — на восток); 
Oxyz — система координат, связанная с чувствительным элементом (ЧЭ) гирокомпаса (гиромотором); 

m 

ось Oη — вертикальная ось подвеса чувствительного элемента 
гирокомпаса; 
ось Оx — горизонтальная ось подвеса чувствительного элемента гирокомпаса; 
m — масса чувствительного элемента; 
G — вес чувствительного элемента; 
l — расстояние от чувствительного элемента до оси Ox; 

з
ω  — угловая скорость вращения Земли; 

зг
ω , 
зв
ω  — векторы горизонтальной и вертикальной составляющих угловой скорости суточного вращения Земли; 
α — угол отклонения чувствительного элемента от плоскости 
меридиана;  
β — угол отклонения чувствительного элемента от плоскости 
горизонта. 
Прецессионные уравнения движения трехстепенного маятникового гирокомпаса имеют вид 

 
;
x
Hq
M
=
    
,
Hp
Mη
=
 
(1) 

где q и р — абсолютная угловая скорость движения чувствительного элемента гирокомпаса вокруг осей x и η соответственно; Mx, 
Mη — моменты, действующие по осям подвеса Ox и Oη. 
Полагая, что углы α и β малы, получим следующие кинематические соотношения:  

 
зг ;
p = β− ω α
   
зв
зг .
q = α + ω
+ ω β

(2) 

В результате прецессионные уравнения движения (1) чувствительного элемента (гироузла) с учетом уравнений (2) примут вид 

 
зг
в ;
Н
Н
М η
−
β+
αω
=
   
зг
в
зв
(
) ,
x
Н
Н
М
Gl
H
α +
ω
=
−
+
ω
β

(3) 

где Gl — статический момент, обусловленный маятниковостью 
гироузла; Mвх, Mвη — возмущающие моменты по осям подвеса. 
Преобразуем данные уравнения: 

 

2

зг
вѓ ;
Н
Н
М
k α +
αω
=
   
в
зв
зг
,
x
Н
k
М
H
β+ β =
−
ω
ω

(4) 

где 
зг.
k
Gl
H
=
+
ω
 

Уравнения (4) несложно представить в следующем виде: 

 
в
2
0
2 ;
kМ

H

η
α + ν α =
   
2
в
зв
зг
0
(
)
,
x
М
H
Н

−
ω
ω
β+ ν β =

(5) 

где 
2
зг
0
.
k

Н
ω
ν =
 

Так как для физической реализуемости гирокомпаса необходимо выполнение условия 
зг,
Gl
H
>>
ω
 с достаточной точностью 
можно считать, что 
.
Gl
k =
 
Полученные уравнения движения представляют собой уравнения незатухающих колебаний с частотой ν0. Если возмущающие 
моменты отсутствуют (Mвх = Mвη = 0), то колебания чувствительного элемента происходят относительно центра с координатами 

 
*
*
з sin
0;
,
H
Gl
ω
ϕ
α =
β =
     
 

т. е. относительно плоскости меридиана. 
Частота ν0 и период Т0 прецессионных колебаний определяются соотношениями 

 
з
0
0
з

cos
;
2
,
cos
Gl
H
T
H
Gl
ω
ϕ
ν =
= π
ω
ϕ  
(6) 

где ϕ — астрономическая широта точки применения гирокомпаса. 
Полные решения уравнений прецессионных колебаний позволяют определить, что траектория следа главной оси Oz на изображающей плоскости представляет собой эллипс с полуосями αА и βА 
с центром в точке (0; –β*). Отношение между полуосями эллипса 

зг

зг

А

А

Gl
H
H
+
ω
α
=
β
ω
 существенно больше единицы, так как 
зг.
Gl
H
>>
ω
 

Следовательно, эллипс сильно вытянут в горизонтальном направлении, что значительно облегчает наблюдение за прецессионным 
движением чувствительного элемента при работе гирокомпаса. 
Проецируя азимутальное прецессионное колебательное движение главной оси Oz гироскопа на горизонтальный лимб гирокомпаса и беря отсчеты Ni в точках реверсии, находят отсчет N0, соот

ветствующий линии пересечения плоскостей меридиана и горизонта, т. е. направлению на север. 
В реальных приборах из-за среды, окружающей чувствительный элемент (гироскоп), и неполной компенсации моментов тяжения торсиона, колебания являются слабозатухающими (рис. 1, в). 
Поэтому для определения отсчета N0 наблюдают ряд точек, обрабатывая отсчеты Ni, соответствующие этим точкам, по специальным алгоритмам. 
После вычисления отсчета N0 определяют азимут ориентированного направления А по формуле 

 
,
0
н
0
N
N
A
−
=
 

где N0н — отсчет по лимбу гирокомпаса при визировании ориентирного направления. 
Чтобы уменьшить влияние постоянной составляющей инструментальных погрешностей конкретного прибора, определяют ее 
среднее значение, которое называется формулярной поправкой 
гирокомпаса 
форм.
′δ
 Значение данной поправки определяют перио
дически с использованием специальных эталонных направлений с 
известными с высокой точностью азимутами, поэтому процесс определения 
форм
′δ
 получил название эталонирования гирокомпаса. 

С учетом формулярной поправки гирокомпаса значение астрономического азимута ориентирного направления определяется следующим образом:  

 
0н
0
форм.
A
N
N
′
=
−
+ δ
 

Дирекционный угол ориентирного направления Ад находят по 
формуле 

 
д
,
A
А
=
− γ  

где γ — сближение меридианов. 

УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ  
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИРОКОМПАСА 1Г25-1 

Комплект гирокомпаса 1Г25-1 предназначен для определения 
истинного азимута перпендикуляра к базовой оси установочного 
столика при работе на неподвижном относительно Земли основании (базовая ось обозначена на установочном столике пазом и отверстием). Комплект гирокомпаса 1Г25-1 состоит из следующих 
основных частей: 
– гирокомпас (ГК); 
– блок преобразования информации и управления (БПИУ); 
– блок управления (БУ); 
– блок питания (БП); 
– столик установочный; 
– устройство амортизационно-фиксирующее (УАФ); 
– комплект кабелей. 
 

Основные технические данные 

Предельная ошибка определения азимута, ДУ* 
00-02.2 
Время определения азимута, мин, не более 
10 
Период прецессионных колебаний  
чувствительного элемента, мин, не более 
6,5 
Диапазон географических широт, градус 
0…70 
Интервал температур, °С 
±50 
Допустимые ударные ускорения  
при транспортировке, не более, g: 
– при 10…80 Гц 
– при 100…250 Гц 

 
 
10…15 
2 
Допустимые вибрационные ускорения  
при работе гирокомпаса (при разарретированном  
чувствительном элементе), g: 
– при 0,5…5 Гц 
– при 5…30 Гц 
– при 30…50 Гц 
– более 50 Гц  

 
10–6 
10–4 
10–3 
10–2 
                                                           
* ДУ — деления угломера.