陀螺稳定平台

利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置

陀螺稳定平台简称陀螺平台、惯性平台，是利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。陀螺稳定平台是惯性导航、惯性制导、惯性测量等惯性技术应用系统的核心部件之一，可隔离载体的扰动而保持其稳定性，为光电探测器等放置在平台上的测量元件提供准确的惯性空间指向，是伺服跟踪系统的基石。

基本概念

工程技术中实际应用的陀螺，一般由内外两个框架、基本陀螺以及修正装置等组成。

基本陀螺有两个主要特性：定轴性和进动性。应用陀螺的这两个特性制造出—系列仪表，供在空中、水上、水下和陆地，上运动的物体指示方向。海空重力测量就利用垂直陀螺仪表来指示船舰、飞机的重力方向，以控制重力仪轴向与重力方向一致，消除干扰加速度的影响。垂直陀螺仪是—种简单的两由度陀螺仪表，其精度是不高的。应用自动控制技术将陀螺、角度转换器、放大器及校正网路和执行机构等部件组成—个力平彻式闭路系统，以自动修正方向。这种使用单自由度陀螺并加力平衡式反馈回路的系统称为稳定平台。它的构造比陀螺仪复杂，但性能却要好得多。海洋重力仪最好与陀螺稳定平台配套，以提高海上测量的精确度。

陀螺稳定平台是惯性导航、惯性制导、惯性测量等惯性技术应用系统的核心部件之一，可隔离载体的扰动而保持其稳定性，为光电探测器等放置在平台上的测量元件提供准确的惯性空间指向，是伺服跟踪系统的基石。

不同类型平台的系统性能

通常情况，根据陀螺的安装位置不同，稳定平台系统可分为进动陀螺、伺服连接以及随动平台方式几种类型。其特征与优缺点见下表。

以随动平台方式为例，它是将光学镜头、摄像机和速率陀螺均安装在稳定平台的内框上，系统工作时，速率陀螺测量载体在空间三个轴向的转动角速度，经处理后反馈到电机上，控制力矩电机转动，使光轴快速对准目标。这种方式精度高，系统快速性好。虽然不利之处是陀螺装在内框架上，平台小型化比较困难，但随着陀螺技术的进步，市场上已有多种性能良好，体积尺寸较小的不同型号陀螺可供选择。

陀螺实际安装的时候，需要十分注意陀螺的安装方式，一定要保证各陀螺敏感轴与各自框架轴线的水平，并且相互之间保持垂直，以免造成陀螺敏感轴方向上的误差和各轴系之间的耦合效应。本系统方位和俯仰轴系的陀螺均安转在方位内框上，有效避免了外框尺寸过大，从而保证负载框具有较小的转动惯量。同时，每个框架都有一个独立的直流力矩电机直接驱动，这种驱动方式省去了减速机构，有效地消除了齿轮间隙误差问题。由于其耦合刚度高，增大了系统的机械共振频率，因而有利于提高系统的频带响应和定位精度。

稳定作用原理

陀螺稳定平台泛指采用陀螺仪为反馈元件，隔离动基座对负载的角扰动，使负载稳定在固定的惯性空间的转台。当负载的支承轴无任何干扰力矩作用时，平台将相对惯性空间始终保持在原来的角位置上。当负载因干扰力矩作用而偏离原来的方位时，陀螺敏感测量轴的变化的姿态角或角速率，并经过控制系统后反馈给电机，通过电机产生补偿力矩对干扰力矩进行补偿，从而使负载保持稳定。

分类、组成及工作原理

陀螺稳定平台按结构形式可分为框架陀螺平台和浮球平台两种。

框架陀螺平台

按其稳定的轴数，又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。它主要由平台台体、框架系统（即内框架、外框架和基座）、稳定系统（由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成，又称稳定回路、伺服回路）和初始对准系统（包括平台台体上的对准敏感元件、变换放大器和稳定系统）等组成。陀螺稳定平台使用何种陀螺仪作为稳定敏感元件，就称为何种陀螺平台，如气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台和静电陀螺平台等。

三轴陀螺稳定平台有3条稳定系统通道，2条初始对准系统水平对准通道和1条方位对准通道。其工作状态：一是陀螺平台不受载体运动和干扰力矩的影响，能使平台台体相对惯性空间保持方位稳定；二是在指令电流控制作用下，使平台台体按给定规律转动而跟踪某一参考坐标系进行稳定。利用外部参考基准或平台台体上的对准敏感元件，可以实现初始对准。三轴陀螺稳定平台应用较广泛。

浮球平台

又称高级惯性参考球平台。主要由浮球（即内球）、球壳（即外球）、信号传输系统、姿态读出系统、加矩系统、温控系统、自动校准与对准系统和计算机接口装置等组成。

浮球平台的浮球内装3个陀螺仪、3个加速度计和电子组件，浮球与球壳之间充以低粘性的碳氢液体，通常用电动涡轮液压泵提供连续流动悬浮液，将浮球悬浮在球壳中。在球壳上安装有倍增器、倍减器、姿态读出器（激励带式感应传感器）、加速度计读出器、温控器与计算机接口装置等。浮球中的陀螺仪、加速度计和姿态传感器信号传输系统，采用混频和多路传输，经电刷送到直流线路并在外电子组件中处理，然后由载波编码，通过接口送到计算机中。采用液压反作用式力矩器的加矩系统，使浮球相对一定的参考坐标系实现控制和稳定。利用热交换器进行温度控制。通过计算机程序对浮球进行自动校准和自动对准。浮球平台具有框架陀螺平台的全部功能，而且对载体振动、冲击等有良好的隔离作用，克服了框架陀螺平台因轴承摩擦引起的平台静差角；并能承受导弹机动发射的恶劣环境和再入时的大过载，有效提高了制导精度；能进行全姿态测量；具有高精度的快速自动对准，缩短了发射时间；解决了弹道导弹发射时目标更换问题；具有信息数字化传输和自动化检测功能；隔热和温控效能高，有利于保证惯性器件的测量精度。但结构复杂，成本昂贵，维护困难，多用于战略弹道导弹。

发展概况

陀螺稳定平台的发展，随着陀螺仪的演变而变化。早在1936年，出现了滚珠轴承式的动力陀螺稳定平台，在军舰上用作测距仪的稳定器。1950年美国研制成功三轴陀螺稳定平台XN-1。之后，在导弹和运载火箭惯性制导系统中，相继出现了静压气浮陀螺平台、动压气浮自由转子陀螺平台、液浮陀螺平台等，由于陀螺平台采用了这些浮力支承，摩擦力矩减小的陀螺仪，其精度得到提高。美国分别应用在“潘兴”I导弹、“土星”运载火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ导弹以及“北极星”导弹上。60年代末，美国研制出结构简单、精度高、成本低的挠性陀螺仪为敏感元件的挠性陀螺平台，它在“三叉戟”Ⅰ潜地导弹、“战斧”巡航导弹，以及“潘兴”Ⅱ导弹上得到应用。随着陀螺平台技术的研究和发展，1973年美国研制出没有框架的浮球平台，即高级惯性参考球平台。为了进一步提高制导精度和可靠性，对浮球平台的支撑系统和温控系统进行了改进。陀螺稳定平台已由框架陀螺平台发展到浮球平台，陀螺平台的质量由几十千克发展到仅0. 8千克，外廓尺寸由0.5米以上发展到仅为0.08米的小型陀螺平台。

陀螺稳定平台将继续向高精度、高可靠性、低成本、小型化，并对陀螺平台误差进行补偿的方向发展。

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