专利名称：一种利用陀螺仪测定地球极移的方法
技术领域：
本发明属于地球物理、大地测量学、惯性导航技术领域，具体涉及一种测定地球极移参数的方法，特别是一种利用陀螺仪测定地球极移参数的方法。本发明可以广泛应用于航空、航天、全球板块运动监测、深空探测研究等领域。
背景技术：
地球本身由于其内部物质流分布的不均匀造成地球自转轴的位置不停的发生着微小的变化。这种变化被称为“极移”。准确的测量地球的极移变化对于航空、航天、地球物理学的研究都有着重要的实际意义和应用价值。
自20世纪70年代以来，人们采用多种观测技术对地球的极移进行测量，如天文观测方法、VLBI技术以及GPS技术等，而这些方法和技术大多需要大范围的地空联测，所需的设备造价昂贵，且获取观测数据的周期较长，数据后处理过程复杂。
发明内容
针对目前采用的测量地球极移的多种技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种利用陀螺仪测定地球极移的方法，本发明的方法所需设备简单易行，不需要进行大范围的地空联测，可以独立的进行地球极移参数的测量，后期数据处理速度快，可实时监测地球极移参数的变化。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案 一种利用陀螺仪测定地球极移的方法，包括以下步骤 第一步，将陀螺仪安置于已知点，使陀螺旋转轴的方向指向北方向，偏差小于10°； 第二步，启动陀螺仪测量此时的指向力矩Mα0，将已知点的纬度
作为已知值，根据公式8计算得到此时陀螺旋转轴与子午线方向的夹角α0
(公式8) 其中，Mα0为指向力矩；H为陀螺角动量，H为已知量；ωe为地球自转角速度，ωe为已知量；
为陀螺安置点纬度；α0为陀螺旋转轴与子午线的夹角。
第三步，再次启动陀螺仪测量此时的指向力矩
将第二步得到的α0作为已知值，根据公式9计算得到此时陀螺仪所在位置的纬度
(公式9)； 第四步，再将
作为已知值，再次启动陀螺仪测量指向力矩Mα1，根据公式10计算得到陀螺仪所在位置的纬度α1
(公式10)； 第五步，如此反复进行测量指向力矩M，并根据公式2、公式3计算相应的α，
的值，然后将每一次得到的α，
值作为下一次计算的已知值进行迭代，根据公式7计算得到αi，
(公式7) 即可得到一组测量成果
第六步，选取任意两个时刻的结果
和
根据公式11、公式12和公式6即可得到i＝m时刻到i＝n时刻之间地球的极移量
(公式11)，
(公式12)， (公式6)。
本发明的理论根据如下 高速旋转的陀螺，在地球自转与自身重力矩的共同影响下会产生向子午线方向进动的指向力矩，指向力矩的大小为
(公式1) 其中，M为指向力矩；H为陀螺角动量，为已知量；ωe为地球自转角速度，为已知量；
为陀螺仪所在位置的纬度；α为陀螺旋转轴与子午线的夹角。
在指向力矩的作用下，陀螺旋转轴会绕着子午线往复摆动，在摆动的过程中，随着陀螺旋转轴与子午线夹角α的变化，指向力矩M的大小也在不断的发生变化。如果通过施加与指向力矩大小相等，方向相反的外加力矩使陀螺旋转轴处于静止状态，并通过测量外加力矩的大小测定指向力矩的大小。再根据公式1，可得计算陀螺仪所在位置的纬度
公式为
(公式2) 计算陀螺旋转轴与子午线夹角α的公式为
(公式3) 如图1所示，地球半径为R时，假设地轴由AA′移动到DD′，现将陀螺仪安置在地面上的任意点T，当地轴位于AA′时，利用陀螺安置点的纬度为
陀螺旋转轴与子午线的夹角为αA，当地轴位于DD′时，利用陀螺安置点的纬度为
陀螺旋转轴与子午线的夹角为αD。
现将地轴由A→D的位移分解为
两个互相垂直方向上位移的合成，其中，
位移方向与地轴位于AA′时的T点所在子午面垂直，
位移方向在地轴位于AA′时T点所在的子午面内。根据球面三角形的几何关系可得，
(公式4)
(公式5) 则地轴的极移量为 (公式6) 如果利用陀螺仪测定
αA与
αD，便可根据公式4、公式5和公式6计算地轴在两个位置的极移量。
由于地球的极移是一个缓慢微小的变化过程(每年极移量变化约20米)，而且指向力矩的测量可以在短时间内(15分钟)完成，那么纬度
与夹角α的测量计算就可以通过相互迭代的方法来得到。并且可以通过天文测量或GPS测量的方法，测定陀螺仪所在位置纬度作为迭代计算的初始值。
通过常年累月的测量即可获取一系列
α0，
α1，…
αi，…，通过这些数据即可模拟出地球自转轴的变化过程。假设如果在2006年7月1日12时获得的测量的成果为
在2007年3月1日12时获得的测量成果为
根据公式4、公式5、公式6即可计算出2006年7月1日到2007年3月1日之间地球自转轴的极移量。
图1为地球极移分解示意图； 图2为本发明的实施例所采用的陀螺仪的结构示意图； 以下结合附图与具体实施例对本发明做进一步的解释说明。
具体实施例方式 本实施例所用陀螺仪结构如图2所示包括外部壳体6以及位于外部壳体6内部的磁悬浮系统，外部壳体6底部中心位置设有对中标识23，外部壳体6上方设有与外部计算机系统相连接的数据接口26和北向标识27。
磁悬浮系统包括回转壳体7、力矩器壳体19、第一电感线圈8、第二电感线圈9、弹簧10、压片11、反射棱镜组15、力矩器定子21和陀螺灵敏部；该陀螺灵敏部包括磁浮球12、连接杆14、光电传感器16、力矩器转子21、陀螺马达房17以及位于陀螺马达房17内的陀螺马达18和陀螺旋转轴28；回转壳体7为一门形；力矩器壳体19为一倒门形，回转壳体7与力矩器壳体19固连并位于力矩器壳体19上方；回转壳体7内壁顶部中心设有第一电感线圈8；回转壳体7内壁顶部围绕第一电感线圈8的八个方向均匀设有8个第二电感线圈9；每个第二电感线圈9下方固连一个弹簧10，弹簧10下方固连压片11；力矩器壳体19内壁上方设有两个对称的反射棱镜组15；力矩器壳体19内壁下方设有力矩器定子21；磁浮球12位于第一电感线圈8下方，连接杆14位于磁浮球12下方与磁浮球12固连，连接杆14包括主杆体140和垂直于主杆体140的平面141，平面141上设有与8个与第二电感线圈9位置相对应的触头142，平面141下方设有两个光电传感器16与连接杆14固连，连接杆14位于陀螺房17上方，与陀螺房17固连，陀螺房17内设有陀螺马达18，陀螺旋转轴28穿过陀螺马达18中心，且与陀螺房17固连；陀螺房17下方设有力矩器转子21。
上述陀螺仪的工作过程如下启动陀螺马达，待陀螺马达转速达到额定转速后，第二电感线圈9通电，压片11由于磁力作用被吸附起来，弹簧10处于压缩状态，然后第一电感线圈8通电，由于磁力作用，磁浮球12被向上拉起，在连接杆14的作用下，陀螺灵敏部处于悬浮状态，力矩器定子20与力矩器转子21之间形成水平磁场，在该磁场力的作用下陀螺灵敏部保持静止，此时光电传感器16的发射/接收面与反射棱镜组15正对，光电传感器16向反射棱镜组15发射光束，光束到达反射棱镜组15后被反射回来，当发射光束与反射光束稳定重合时，力矩器定子20与力矩器转子21开始采集测量数据，并通过数据接口26传输给外部计算机，外部计算机计算力矩值。
本发明的利用陀螺仪测定地球极移的方法，包括以下步骤 1)将陀螺仪安置于已知点，已知点的经纬度为已知值，使陀螺仪的北向标识27指向北方向±0°； 2)启动陀螺仪测量此时的指向力矩Mα0，将已知点的纬度
作为已知值，根据公式8计算陀螺旋转轴28与子午线方向的夹角α0；
(公式8) 其中，Mα0为指向力矩；H为陀螺角动量，H为已知量；ωe为地球自转角速度，ωe为已知量；
为陀螺安置点纬度；α0为陀螺旋转轴28与子午线的夹角。
3)再次启动陀螺仪测量此时的指向力矩
将第二步得到的α0作为已知值，根据公式9计算此时陀螺仪所在位置的纬度
(公式9)； 第四步，再将
作为已知值，再次启动陀螺仪测量指向力矩Mα1，根据公式10计算此时陀螺旋转轴28与子午线的夹角α1；
(公式10)； 第五步，如此反复进行测量指向力矩M，并根据公式2、公式3计算相应的α，
的值，然后将每一次得到的α，
值作为下一次计算的已知值进行迭代，根据公式7计算得到αi，
(公式7)， 即可得到一组测量成果
α0，
α1，…
αi，…； 第六步，选取任意两个时刻的结果
和
根据公式11、公式12和公式6即可得到i＝m时刻到i＝n时刻之间地球的极移量
(公式11)，
(公式12)， (公式6)。
权利要求
1.一种利用陀螺仪测定地球极移的方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步，将陀螺仪安置于已知点，使陀螺旋转轴的方向指向北方向，偏差小于10°；
第二步，启动陀螺仪测量此时的指向力矩Mα0，将已知点的纬度
作为已知值，根据公式8计算得到此时陀螺旋转轴与子午线方向的夹角α0
(公式8)
其中，Mα0为指向力矩；H为陀螺角动量，H为已知量；ωα为地球自转角速度，ωα为已知量；
为陀螺安置点纬度；α0为陀螺旋转轴与子午线的夹角。
第三步，再次启动陀螺仪测量此时的指向力矩
将第二步得到的α0作为已知值，根据公式9计算得到此时陀螺仪所在位置的纬度
(公式9)；
第四步，再将
作为已知值，再次启动陀螺仪测量指向力矩Mα1，根据公式10计算得到此时陀螺仪所在位置的纬度α1
(公式10)；
第五步，如此反复进行测量指向力矩M，并根据公式2、公式3计算相应的α，
的值，然后将每一次得到的α，
值作为下一次计算的已知值进行迭代，根据公式7计算得到αi，
(公式7)，
即可得到一组测量成果
α0，
α1，…
αi，…；
第六步，选取任意两个时刻的结果
和
根据公式11、公式12和公式6即可得到i＝m时刻到i＝n时刻之间地球的极移量
(公式11)，
(公式12)，
(公式6)。
全文摘要
本发明公开了一种利用陀螺仪测定地球极移的方法，包括以下步骤将陀螺仪安置于已知点，使陀螺旋转轴的方向指向北方向，偏差小于10°；启动陀螺仪测量此时指向力矩Mα0，计算此时陀螺旋转轴与子午线方向的夹角α0；启动陀螺仪测量此时的指向力矩将α0作为已知值，计算此时陀螺仪所在位置的纬度将作为已知值，再次启动陀螺仪测量指向力矩Mα1，计算此时陀螺仪所在位置的纬度；如此反复进行测量指向力矩M，并计算相应的α，的值，然后将每一次得到的α，值作为下一次计算的已知值进行迭代，计算得到αi，选取任意两个时刻的结果和即可得到i＝m时刻到i＝n时刻之间地球的极移量本发明的方法简单易行，且独立性较好，数据处理速度快，可实时监测地球极移参数的变化。
文档编号G01V3/40GK101819284SQ201010174339
公开日2010年9月1日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者杨志强, 李志刚, 石震, 杨帅 申请人:长安大学