机载电子设备-第五章_航向测量

1、第五章 航向系统2012 . 112主要内容 测量航向（飞机纵轴与经线的夹角）的仪表称为航空罗盘(Compass)，罗盘是飞机上重要的领航仪表。o 概述o 航向、航线和地磁o 磁罗盘 o 陀螺罗盘o 陀螺磁罗盘o 罗盘系统0 概述o 航向系统仪表包括各种仪表罗盘和无线电罗盘。是飞机上重要的驾驶领航仪表之一。o 分类：磁罗盘、陀螺罗盘、陀螺磁罗盘和天文罗盘。另外除仪表罗盘外，还有无线电罗盘。o 功用：为飞行员提供各种航向的目视显示、为机载电子设备提供各种航向基准和航向误差信号。41.1 飞机航向(1)o 航向飞机的机头方向，其大小是用飞机纵轴的水平投影与地平面上某一基准线之间的夹角度量。并规定正

2、航向角的计算方法是从基准线的正方向按顺时针方向量至定位线的正方向。o 用罗盘测量飞机航向，实质就是用罗盘传感器来测定地平面上的基准线的位置。图图 4-1-1 飞机航向表示法飞机航向表示法1.1 飞机航向(2)o 不同的罗盘采用不同的基准线。目前仪表罗盘所用的基准线有地球磁子午线、真子午线、飞行航线起点子午线或飞机转弯起点航线。通常这些基准线的正方向是指磁北线、真北线和飞行方向线。o 用罗盘测量飞机航向，实质就是用罗盘传感器来测定地平面上的基准线的位置。o 由于基准不同，故将航向分为真航向、磁航向、罗航向、大圆航向和陀螺航向。71.1 飞机航向(3)o 真航向 真子午线(即地理经线)与飞机纵轴在

3、水平面上投影的夹角为真航向角。按真航向角计算的飞机航向称为真航向。o 磁航向 磁子午线(即地球磁经线)与飞机纵轴在水平面上投影的夹角为磁航向角。按磁航向角计算的飞机航向称为磁航向。l 磁子午线与真子午线方向不一致而形成的磁偏角称为磁差角。地球磁场随时间、地点不同而异。l磁航向与真航向的关系CCT真航向角真航向角= =磁航向角磁航向角+ +磁差角。磁差角。1.1 飞机航向(4)91.1 飞机航向(5)p 罗航向 飞机上的钢铁物质和工作着的电气设备会形成飞机磁场。由此，飞机上用磁罗盘测得的航向基准线实际上是地球磁场与飞机磁场两者形成的合成磁场水平分量方向，即罗经线。该线与飞机纵轴在水平面上的夹角为

4、罗航向角。按罗航向角计算的飞行航向叫罗航向。l罗子午线飞机磁场水平分量与地球磁场水平分量形成的磁场方向称为罗子午线方向。l罗差罗子午线与磁子午线间的夹角就是罗差。l地球磁场的水平分量相对地球固定，飞机磁场随飞行航向和姿态不断变化，所以合成磁场也随飞行状态而不断变化，使罗差成为飞行状态的函数。1.1 飞机航向(6)111.1 飞机航向(7)飞机磁场与罗差飞机磁场与罗差LLCL :罗盘航向；L :罗差。12真航向、磁航向与罗航向真航向、磁航向与罗航向131.1 飞机航向(8)o 陀螺航向 以陀螺的自转轴置于水平,作为航向基准线，陀螺所指示的航向即为陀螺航向。l 陀螺航向通常用来确定飞机的转弯角度；

5、l 陀螺航向的基准线可以任意选择位置，故不考虑它与磁航向和真航向的关系。把它的零度线置于磁子午线上，所指的为陀螺磁航向；若把它的零度线置于真子午线上，所指的为陀螺真航向。141.1 飞机航向(9)o 大圆航向 通过地心与地球表面相交的圆称大圆，飞机沿大圆飞行的航向称为大圆航向。地球表面任意两点间的距离，大圆圈线最短，即按大圆飞行航程最短。l 用陀螺罗盘确定大圆航向，陀螺罗盘选择的航向基准是直飞航线起点子午面上的大圆圈线。l 陀螺罗盘作大圆飞行的主要问题是大圆航向基准线与航线起点子午线作同步运动。大圆航向和大圆航线大圆航向角与真航大圆航向角与真航向角的关系向角的关系sin)(aTD :经线收敛角

6、子午线经度 飞机从AB沿大圆航向飞行，已知在B点处飞机纵轴指向正东南。则B点处的T=？，若测得B点处的磁差C=-4，罗差L=7，经线收敛角=28，则B点处磁航向C=？，罗航向L=？大圆航向D=？计算题p 飞机在空中飞行时所用的飞行路线称为航线。p 通常有两种航线选择：1. 大圆航线2.等角航线1.2 航线等角航线等角航线o地球磁性地理南北极不同地理南北极不同于地磁南北极于地磁南北极1.3 地磁(1)p磁倾磁倾地磁场强度与水平面的夹角叫做磁倾角（简称磁倾）。某地磁倾角的大小也可称为该地的磁纬度。地磁场水平分量的方向线称为磁经线或磁子午线。1.3地磁(2)磁罗盘内部装有可自由转动的磁罗盘内部装有可

7、自由转动的磁条磁条和和固定在磁条上的固定在磁条上的刻度盘刻度盘(0(0o o360360o o) )。其安装要求是其安装要求是0 0o o(N)(N)180180o o(S)(S)线与线与磁条重合，磁条北极指向刻度盘磁条重合，磁条北极指向刻度盘S S极，极，南极指向刻度盘南极指向刻度盘N N极。罗盘表壳上固定极。罗盘表壳上固定有航向标线，代表飞机纵轴线位置。有航向标线，代表飞机纵轴线位置。表壳随飞机一起转动，就可以指示飞表壳随飞机一起转动，就可以指示飞机的罗航向。机的罗航向。2.1磁罗盘的指示原理磁罗盘的指示原理磁罗盘的指示原理p罗牌和罗盘油；p表壳和航向标线；p罗差修正器和照明灯。2.2磁罗

8、盘的基本结构p停滞误差停滞误差：是磁罗盘的静态误差。是：是磁罗盘的静态误差。是由于支承轴与罗牌之间的摩擦力矩产由于支承轴与罗牌之间的摩擦力矩产生的。生的。p涡动误差涡动误差：飞机转弯时，罗牌在油的：飞机转弯时，罗牌在油的阻尼力矩作用下发生偏转引起的误差阻尼力矩作用下发生偏转引起的误差。2.2磁罗盘的飞行误差(1)p惯性误差惯性误差：当飞机有纵轴或横轴加速：当飞机有纵轴或横轴加速度时，由惯性力、地磁垂直分量和飞度时，由惯性力、地磁垂直分量和飞机垂直分力引起的。机垂直分力引起的。2.2磁罗盘的飞行误差(2)p俯仰倾斜误差：俯仰倾斜误差：罗牌不会随飞机俯罗牌不会随飞机俯仰出现的误差。仰出现的误差。2

9、.2磁罗盘的飞行误差(2)p转弯误差：转弯误差：飞机转弯时产生的离心力会飞机转弯时产生的离心力会使罗牌发生倾斜引起的误差。使罗牌发生倾斜引起的误差。2.2磁罗盘的飞行误差(3)由于飞机转弯时需要知道航向，所以对飞行的影响最大l零度航向：零度航向：北半球，往西。北半球，往西。2.2磁罗盘的飞行误差(4)2.2磁罗盘的飞行误差(5)l180180度航向：度航向：北半球，往西。北半球，往西。2.2磁罗盘的飞行误差(6)l9090或或270270度航向：度航向：北半球，往南。北半球，往南。o 一般在主用罗盘失效后使用；o 为避免误差，应在匀速平飞时判读航向，若罗盘摆动，读取均值；若转弯时使用，注意修正

10、转弯误差；o 在磁矿区，磁罗盘误差很大，增加飞行高度，可减少误差；o 在两极飞行时，地磁水平分量很小，磁罗盘不能准确指示；o 若利用磁航向领航，需修正剩余罗差。2.3 磁陀螺罗盘的使用特点36o 陀螺罗盘，又称陀螺方位仪(Directional Gyro)，是利用三自由度陀螺定轴性工作的仪表。它能测量出飞机沿纵轴转过的角度，经过校正，可以指示飞机的航向。o 由于这种仪表不能独立测量航向（陀螺自转轴不能自动跟踪经线），所以又称为半罗盘(陀螺半罗盘)。3 陀螺罗盘（directional gyroscope）37o 陀螺半罗盘的基本组成n 三自由度陀螺、刻度盘、航向指标、水平修正器和方位修正器。n

11、 陀螺外框轴与飞机立轴平行；刻度盘固定在外框上，航向指标固定在表壳上，代表飞机纵轴；水平修正器的修正力矩作用在外框轴，使自转轴保持水平；方位修正器的修正力矩作用于内框轴，使自转轴跟踪选定的方位基准线。3.1 陀螺罗盘基本结构3.1 陀螺罗盘基本结构p测量飞机的转弯角度测量飞机的转弯角度将陀螺罗盘的航向基准调定到飞机转弯前的航向，使刻度盘上的0o与航向指示对准。这就说明飞机在转弯前，作为航向基准的0o180o线已与飞机的纵轴线重叠。罗盘指示的航向角为0o，然后，当飞机航向改变时，自转轴方位不变，刻度盘不随飞机转动，而航向指标则随飞机转动。因此，航向指示相对于刻度盘的转角就是飞机的转弯角度。3.2

12、 陀螺罗盘测量各种航向的原理p测量飞机的大圆圈航向测量飞机的大圆圈航向飞机纵轴所在的大圆圈平面与起始点子午线面的夹角。因此，测量大圆圈航向必须使自转轴稳定在起始点子午线上。陀螺罗盘必须具备两个条件：l1、使用前，自转轴必须与起始点子午线方向一致；l2、飞行中自转轴必须随起始点子午线在惯性空间内一起转动。3.2 陀螺罗盘测量各种航向的原理要想使自转轴经常随起始点子午线一起转动，一方面，必须使自转轴经常处于水平；另一方面，必须使自转轴在方位中不断地进动。这就需要水平、方位修正。水平修正方法是在自转轴偏离水平面时，沿外框轴加修正力矩，使自转轴进动，从而恢复水平。方位修正的方法是沿自转轴方向装一配重，

13、产生绕内框轴的修正力矩，使自转轴不断地绕外框轴进动，进动的角度与地球自转角速度的垂直分量大小相等，方向相同。3.2 陀螺罗盘测量各种航向的原理p测量飞机的大圆圈航向测量飞机的大圆圈航向( (续续) )p测量飞机的真航向测量飞机的真航向飞机纵轴与所在真子午线之间的夹角为真航向。陀螺罗盘必须满足以下三个条件：l使用前，自转轴必须与起始点子午线方向一致；l飞行中自转轴必须随起始点子午线在惯性空间内一起转动；l飞行过程中，飞机所在子午线与起始点子午线发生相对运动，自转轴还必须随飞机所在子午线一起转动。3.2 陀螺罗盘测量各种航向的原理飞机所在子午线与起始点子午线的相对运动是由于飞机与地球相对运动引起的

14、。要想使陀螺罗盘的自转轴随飞机所在子午线转动，也要采用水平修正和方位修正的方法。其中方位修正中必须有两项：一项是修正地球自传角速度的垂直分量所引起的自转轴的方位偏离；另一项是修正飞机绕地轴旋转角速度的垂直分量所引起的自转轴的方位偏离。3.2 陀螺罗盘测量各种航向的原理p测量飞机的真航向测量飞机的真航向飞行速度的两个分速度和飞机绕地轴旋转角速度矢量图飞机绕地轴旋转角速度垂直分量矢量图o 自走误差：是自转轴与子午线发生相对运动引起的。包括纬度误差、速度误差以及陀螺静平衡不良引起的机械误差和轴承摩擦引起的机械误差）；o 支架倾斜误差：飞机俯仰、倾斜时外框轴偏离地垂线引起的；o 盘旋误差：飞机盘旋过程

15、中水平修正引起的。3.2 陀螺罗盘的误差 1.已知飞机的陀螺罗盘根据北京地区(=40)给定的常值方位修正角速度，试求飞机飞行到成都地区（=31）时，该罗盘的纬度误差。2.已知一架飞机V=1000km/h,真航向T=30，飞机所在地纬度=45，求用陀螺罗盘指示T和D时的速度误差。计算题直读式陀螺罗盘垂直修正器直读式陀螺罗盘垂直修正器远读式陀螺罗盘的组成及工作原理远读式陀螺罗盘的组成及工作原理陀螺罗盘传感器的结构陀螺罗盘传感器的结构操纵台面板及内部原理电路操纵台面板及内部原理电路524 陀螺磁罗盘(1)o 磁罗盘是在指南针的基础上形成的，能够独立测量飞机航向，但稳定性差。o 将陀螺罗盘稳定性好，但

16、不能独立测量飞机航向。o 将磁罗盘与陀螺罗盘结合，形成陀螺磁罗盘(Gyro Magnetic Compass)即能独立测量航向，又具有良好的稳定性和较高灵敏度的航向仪表。它能测量飞机的磁航向。534 陀螺磁罗盘(2)o 陀螺磁罗盘的基本组成：磁传感器、信号放大器、陀螺机构和指示器。o 磁传感器 罗盘的地磁敏感部分。它可以测量飞机的磁航向，并输出航向信号，控制陀螺机构。 544 陀螺磁罗盘(3)o 陀螺机构 相当于一个陀螺罗盘，用于稳定磁传感器输出的磁航向信号。受磁传感器控制，同时磁传感器通过它输出稳定的磁航向信号使指示器指示。一、陀螺磁罗盘的基本工作原理陀螺磁罗盘是由磁传感器、陀螺机构、指示器

17、陀螺磁罗盘是由磁传感器、陀螺机构、指示器及具有跟踪能力的伺服系统组成。及具有跟踪能力的伺服系统组成。磁传感器受地磁场的作用，可以测量飞机的磁磁传感器受地磁场的作用，可以测量飞机的磁航向，并输出航向信号去控制陀螺机构中的航航向，并输出航向信号去控制陀螺机构中的航向基准位置，使指示器指示飞机的磁航向。向基准位置，使指示器指示飞机的磁航向。4 陀螺磁罗盘陀螺磁罗盘的基本工作原理陀螺磁罗盘的基本工作原理感应式陀螺磁罗盘的原理感应式陀螺磁罗盘的原理磁传感器磁传感器修正机构修正机构陀螺机构陀螺机构指示器指示器既是磁传感器的指示器，又是指示器的传感器。既是磁传感器的指示器，又是指示器的传感器。二、感应式磁传

18、感器的工作原理二、感应式磁传感器的工作原理感应式磁感应式磁传感器主传感器主要包括：要包括：地磁感应地磁感应元件、万元件、万向支架、向支架、浮子和罗浮子和罗修正器。修正器。单相地磁感应元件的测量原理单相地磁感应元件的测量原理根据电磁感根据电磁感应原理制成应原理制成的。两条磁的。两条磁路由镍铁合路由镍铁合金棒构成，金棒构成，W WE E为测量线为测量线圈，圈，W W 为磁为磁化线圈。化线圈。单相地磁感应元件的测量原理（续）单相地磁感应元件的测量原理（续）当两条磁路中有磁通变化时，测量线圈当两条磁路中有磁通变化时，测量线圈W WE E便有便有感应电势感应电势E E输出。输出。磁化线圈磁化线圈( (W

19、 W 1 1、 W W 2 2) )，分别绕，分别绕在两根磁棒上且匝数相等，逆向串联，故它们在两根磁棒上且匝数相等，逆向串联，故它们的交变磁通在测量线圈中不会产生感应电势。的交变磁通在测量线圈中不会产生感应电势。它们的作用是使两个磁棒的导磁系数可以随交它们的作用是使两个磁棒的导磁系数可以随交变电源的变化而变化，进而达到在磁棒的电流变电源的变化而变化，进而达到在磁棒的电流变化一周的时间内，地磁变化一周的时间内，地磁(H(HN N) )可以两次进入测可以两次进入测量线圈，使量线圈，使W WE E有地球磁场的感应电势输出有地球磁场的感应电势输出(E(E) )。其大小取决于地球磁场与测量线圈间的夹角大其大小取决于地球磁场与测量线圈间的夹角大小。由此可以测量航向角。小