静电陀螺仪技术 (2010 年度畅销榜NO.54137 )

本书重点讨论静电陀螺仪获得长期运行的高精度所必须采取的相关技术。主要内容包括总体技术方案、电极电容与静电力、静电支承系统、加转阻尼恒速及剩余磁场干扰力矩、质量不平衡静电陀螺的运动、漂移误差力矩与误差模型、壳体翻滚自动补偿装置、热稳定性以及漂移误差模型辨识等。
本书不仅对从事惯性技术方面工作的工程技术人员具有重要参考价值，而且可作为高等学校惯性技术相关专业的研究生教材。

1 总体技术方案与性能分析
1.1 发展简史
1.2 空心转子静电陀螺仪
1.2.1 g638mm空心转子静电陀螺仪
1.2.2 +50mm空心转子静电陀螺仪
1.3 实心转子静电陀螺仪
1.4 两类静电陀螺仪技术比较
1.5 静电陀螺仪的一般运动特性
1.5.1 理想静电陀螺仪
1.5.2 实际静电陀螺仪
1.6 静电陀螺导航／监控器系统
1.6.1 SPN／GEANS和GEO／SPIN系统
1.6.2 静电陀螺导航仪(ESGN)系统
1.6.3 静电陀螺监控器(ESGM)系统
2 电极电容与静电支承力计算
2.1 电极间隙、电容及静电力计算公式
2.1.1 电极间隙表达式
2.1.2 电极电容计算式
2.1.3 静电力计算式
2.2 6块正交圆电极电容
2.3 正六面体投影电极电容
2.4 正交6块圆电极静电支承力
2.5 正六面体投影电极静电支承力
3 静电支承系统分析与设计
3.1 基本工作原理、要求及分类
3.1.1 基本工作原理
3.1.2 技术指标
3.1.3 系统分类
3.2 无源静电支承系统
3.3 恒流控制静电支承系统
3.4 直流电压控制静电支承系统
3.5 可变预载静电支承系统
3.6 数字式静电支承系统
3.6.1 转子位移测量电路
3.6.2 调制式高压直流放大器
3.? 静电支承系统控制器设计
3.7.1 PID控制器设计
3.7.2 反馈线性化
3.7.3 变结构、变预载控制
4 磁场加转、阻尼定中及恒速系统
4.1 电磁力矩基本公式
4.2 运动方程与“零”次近似解
4.3 直流磁场阻尼定中特性
4.4 脉动磁场的电磁力矩
4.5 外磁场干扰力矩与磁屏蔽
4.6 旋转磁场的施矩特性
4.7 加转—恒速控制电路+
4.8 磁场恒速系统分析与调整
5 质量不平衡静电陀螺的运动
5.1 运动微分方程
5.2 “快”变量近似解
5.2.1 质量不平衡量表达式
5.2.2 静电支承力稳态解·
5.2.3 转子中心运动轨迹
5.3 “慢”变量近似解
5.3.1 小章动角运动
5.3.2 陀螺摆运动
5.4 静电场恒速系统
6 静电力矩与漂移误差模型
6.1 转子非球形描述
6.2 静电力矩表达式
6.2.1 电压驱动静电力矩
6.2.2 电流驱动静电力矩
6.3 静电力矩与漂移角速度计算方法
6.4 一次静电力矩与漂移角速度
6.4.1 一次静电力矩
6.4.2 漂移角速度
6.5 转子失中度二次静电力矩与漂移角速度
6.6 电极碗装配误差二次静电力矩与漂移角速度
6.7 静电陀螺仪漂移误差模型
7 壳体翻滚自动补偿技术
7.1 壳体翻滚方式
7.2 壳体翻滚运动分析
7.3 壳体翻滚对磁场干扰力矩的调制平均作用
7.4 壳体翻滚对一次静电力矩的调制平均作用
7.5 壳体翻滚对二次静电力矩的调制平均作用
7.6 壳体翻滚条件下的漂移误差模型
8 静电陀螺仪的热分析与计算
8.1 前言
8.2 静电陀螺热传导模型
8.2.1 热传导微分方程
8.2.2 边界条件
8.2.3 初始条件
8.3 转子温度的简化分析
8.4 球形转子冷却过程与温升
8.5 转子温度的时域响应
8.6 壳体内温度分布不均匀的影响
8.7 结论及热设计原则
8.7.1 结论
8.7.2 热设计原则
9 静电陀螺漂移误差模型辨识
9.1 双轴伺服法测试原理与分类
9.2 完整的漂移误差数学模型
9.3 双轴伺服转台运动轨迹
9.3.1 极轴陀螺试验
9.3.2 赤道陀螺试验
9.4 双轴伺服试验可辨识的漂移误差模型
9.4.1 极轴陀螺试验的漂移误差模型
9.4.2 赤道陀螺试验的漂移误差模型
9.5 漂移误差模型系数估计算法
9.5.1 最小二乘估计
9.5.2 广义卡尔曼滤波算法
9.6 测试和仿真结果
9.6.1 极轴陀螺测试结果
9.6.2 赤道陀螺试验仿真结果
参考文献

静电陀螺仪是一种自由转子陀螺仪，具有极稳定的定轴性，是长时间自主导航系统的核心敏感元件，它的发明和研制是惯性技术发展的一个里程碑。自从20世纪50年代美国伊利诺伊大学(UniVersity of Illinois)诺尔德西克(Nordseik A.T.)教授提出静电陀螺仪概念以后，美国、俄罗斯、法国都经过了20余年的研究，才分别于70、80及90年代成功研制静电陀螺仪，并先后获得实际应用。此后，静电陀螺导航仪和静电陀螺监控器一直是这些国家海洋远程运载器的主要导航设备。而且，在今后相当长的一段时期，它仍然具有生命力。 静电陀螺仪是机光电集成的超精密仪器，它的研制存在多方面的困难：多学科综合，技术复杂，研制周期长，研制投入大。静电陀螺仪的研制成功体现了一个国家在这一领域及相关科学技术领域的综合水平。 本书作者高钟毓教授参加了我国静电陀螺仪研制的全过程，他在章燕申教授等取得的科研成果的基础上，进行了正式样机的研制，为我国发展静电陀螺仪技术做出了贡献。这本专著是他多年来从事静电陀螺仪研究的，总结。 本书的特点是，全面系统地论述了与静电陀螺仪精度相关的技术问题，理论分析深入，关键技术经过实践验证，为保证静电陀螺仪长时间工作精度而提出的技术措施准确，具有总结性和前瞻性。本书内容虽然针对的是静电陀螺仪技术，但对于研发其他静电式仪器，例如，静电加速度计、重力梯度仪、微机电惯性仪表等，也具有重要参考价值。它不仅是从事惯性技术研究、生产及使用的工程技术人员的一本有价值的参考书，也可作为高等学校惯性技术相关专业的研究生教材。

自从美国伊利诺伊大学(Universityoflllinois)诺尔德西克(NordseikA.T.)教授提出静电陀螺仪概念以来，静电陀螺仪在世界范围内的研究和应用已经经历了半个世纪的发展历程。在长时间高精度应用领域，静电陀螺仪一直独占鳌头，并且，在可预见的未来，还没有其他惯性仪器可在这些应用领域取代它。 我国自1965年立项研制静电陀螺仪以来，断断续续研究了将近30年，大体经过了三个阶段：1965—1976年的原理研究，1981—1990年的精度攻关以及2000年以后的正式样机研究。从事这项研制工作的单位主要有清华大学、上海交通大学、常州航海仪器厂及天津航海仪器研究所。特别是在精度攻关的10年中，在章燕申教授领导下，我国研制成功的空心铝球转子样机经过力反馈法和双轴伺服法测试，24h样本的随机漂移精度达到了0.001／h，为我国静电陀螺仪的发展奠定了基础。 本人自青年时期就参与了这项研究课题，亲身经历了我国静电陀螺仪研制的全过程，还指导了多位相关专业的博士研究生和博士后的论文，在理论上和实践上积累了一些体会和心得。最近几年，忙里偷闲，经过整理写出了这本拙作，目的是供后来者(特别是青年人)参考。 本书的重点是讨论与静电陀螺仪精度相关的技术，而未深入讨论关键元部件的制造工艺。主要内容包括总体方案、静电支承系统、加转阻尼恒速、漂移误差力矩与模型、壳体翻滚、热稳定性及误差模型辨识等方面的技术。结论是：保证静电陀螺仪长时间工作的高精度，必须依靠球形转子和电极碗的超精密加工、高刚度高稳定的静电支承系统、严格的磁屏蔽和超高真空、精确的平台框架伺服(含测角传感器)，并附加壳体翻滚、恒速恒温控制及误差模型软件补偿等一系列技术措施。 在本书编写过程中，中国惯性技术学会理事长、中国工程院院士丁衡高教授给予了很大的鼓励和支持，并亲自为本书作序，借此机会表示衷心的感谢。同时，还要感谢过去和现在一起工作的各位老师和研究生，本书中有的内容包含了他们辛勤劳动的成果。 由于作者本人学术水平有限，书中一定存在不少错误和不足，热忱欢迎同行专家和读者予以批评指正。 作 者 2004年2月