静电场定位导航基础与技术系统

尚可; 晏磊; 周成当

doi:10.12265/j.gnss.2023133

静电场定位导航基础与技术系统

doi: 10.12265/j.gnss.2023133

尚可¹,
晏磊^1, ,,
周成当²

1.
北京大学地球与空间科学学院, 遥感与地理信息系统研究所, 北京大学空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室, 北京 100871
2.
昙数科技(北京)有限公司, 北京 100012)

详细信息

作者简介:
尚可：(1995—)，女，博士，研究方向为空间信息处理，导航方法与应用

晏磊：(1956—)男，博士，教授，研究方向为偏振遥感机理与应用，精密仪器

周成当：(1965—)，男，博士，教授，研究方向为应用地球物理和地球探测与信息技术

通讯作者:
晏　磊E-mail: lyan@pku.edu.cn

中图分类号: P228;TN96;P318
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出版历程
- 收稿日期: 2013-07-11
- 录用日期: 2023-07-11
- 网络出版日期: 2023-09-28

Basic and technical system of electrostatic field positioning and navigation

1.
Beijing Key Lab of Spatial Information Integration and 3S Application, Institute of RS & GIS, School of Earth and space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
2.
Tanshu Technology (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100012, China)

摘要

摘要: 从上世纪50年代起，惯性技术逐步在导航领域占据主导地位，80年代开始的组合导航系统中，惯性技术仍占主导地位，但惯性导航技术一直受到设置初始值和随时间精度下降的困扰，且价格昂贵. 本文首先对静电陀螺及其支承原理进行阐述，处于高度真空的球形电极碗中的球形转子与碗电极之间的间隙很小，在电极与转子之间加上支承高压，在电极与球形转子之间形成强电场，当球形转子受到的静电力平衡时，球形转子就被支承起来. 又通过对静电场支承系统(electrostatic suspension system，ESS)转子位移测量电路误差进的定量分析和单项测试，阐述电路各元件在总漂移误差中的分离方法和结果. 在此基础上，归纳了提高精度指标的方法与途径，研制了全屏蔽、模块化结构电路，并装入了陀螺本体.
- 精密仪器 /
- 静电陀螺 /
- 静电支承 /
- 容性负载
Abstract: Since the 1950s, inertial technology has gradually occupied a dominant position in the field of navigation. In the integrated navigation system since the 1980s, inertial technology is still dominant. However, inertial navigation technology has been troubled by setting initial values and decreasing accuracy over time, and its price is high. The gap between the spherical rotor and the bowl electrode is very small. The supporting high pressure is added between the electrode and the rotor to form a strong electric field between the electrode and the spherical rotor. When the electrostatic force of the spherical rotor is balanced, the spherical rotor will be supported. Through the quantitative analysis and single test of ESS rotor displacement measurement circuit error, the separation method and results of each component in the total drift error are described. On this basis, the methods and ways to improve the precision index are summarized. The fully shielded and modular circuit is developed and loaded into the gyroscope body.

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图 1 新型陀螺仪的精度和应用领域

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图 2 两个半球陶瓷碗组成的密闭内球腔

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图 3 平行电极板间的静电吸力

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图 4 有源静电支承控制回路原理图

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图 5 方波支承波形及参数

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图 6 X不同时最内层线圈电位分布

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图 7 不同温度时高压变压器实验特性

注：从上至下为电压随温度变化曲线图；电阻随温度变化曲线图；杂散电容随温度变化曲线图.

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图 8 不同时间测量的变压器电感实验特性

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图 9 不同频率的实验特性

注：从上至下：电感随测量频率变化曲线图；电压测量频率变化曲线图；电阻随测量频率变化曲线图；杂散电容随测量频率变化曲线图.

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图 10 I-1型支承变压器频率特性曲线

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图 11 II-2-2型变压器特性曲线

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图 12 II-2-2型变压器负载$ C_{L} $与谐振频率F_m实线曲线

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图 13 付边电感及带载谐振频率F_dm与所隙$ \Delta $之关系

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表 1 高频加力元件铁芯选取

种类号	出产国	材料	型号	μ_i(4π×10⁻⁷ H/m)	Bs/T	Br/T	Hc/(A·m⁻¹)	体积(mm³)	适应频率/Hz
I	日本	铁氧体	H7C1-EC28	2 500	0.51	0.117	12	28×28×10	≤0.5 M
II	中国	铁氧体	R2KB	2 000±500	0.40	0.12	24	25×25×18	≤0.3 M
III	中国	高硅钢	0.3 mm片厚卷压	15 000	1.7	−	−	30×20×13	4 K~20 K

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表 2 不同绕组分段加力元件的带载谐振频率

绕组分段数	谐振频率/kHz
1	6.8
2	8.0
3	−
4	13.0
5	16.0
6	18.0
7	19.0
10	19.5

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表 3 加力元件磁芯与绕组骨架结构

种类号	铁氧体磁芯	骨架		分段数	间隙状态
种类号	铁氧体磁芯	单	双	分段数	间隙状态
I-1-0	H7C1-EC28	√	−	1	不可调
I-1-1	H7C1-EC28	√	−	2	不可调
II-2-2	R2KB 短	−	√	6	可调
II-1-1	R2KB长	−	√	7	可调

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表 4 不同结构下杂散电容的设计值与实测值

参数型号	w₂/匝	X	设计值/pF				实测值/pF
参数型号	w₂/匝	X	C₁	C_m	C_n	C₂	C₂
I-1-0	2 400	1	20.95	0.11	0	21.06	24.8
I-1-1	2 400	2	5.04	14.03	2.20	21.27	12.7
II-2-2	3 000	6	0.16	0.54	1.52	2.22	2.49
II-1-1	3 000	7	0.25	1.61	1.03	2.89	3.41

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表 5 C_L=33 pF，Δ=0.24 mm时输入输出特性

f/kHz	V₂/kV	I₁/mA
15	1.20	140
17	1.20	80
20	1.20	180
23	1.24	280
25	1.20	350
28	1.24	440
30	1.24	500
35	1.30	600

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表 6 20 kHz下高压电阻R与通频带$ {B}_{c} $实验

R/KΩ	B_c/kHz	Q
0	1.4	14.0
2	2.0	10.0
4	5.0	4.0
6	8.0	2.5
8	13.0	1.5

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S1 附录 1 表1 三种用于ESS的高压变压器比较

温度		25℃			35℃			65℃
型号	参数　测量频率	L/H	r/Ω	C/pF	L/H	r/Ω	C/pF	L/H	r/Ω	C/pF
I-1型	100 Hz	9.32	970	35.5	10.73	997.3	34.7	12.59	1032	36.1
I-1型	1 KC	9.12	1670	35.2	10.59	1780	33.2	12.55	1800	35.7
旧铁氧体	100 Hz	1.88	1357	38.3	1.89	1380	39.5	1.91	1475	38.9
旧铁氧体	1 KHz	1.86	1610	38.9	1.87	1630	39.1	1.89	1710	38.8
低硅钢片	100 Hz	45.2	4237	29.0	48.8	4612	27.1	47.98	4705	25.6
低硅钢片	1 KHz	41.4	1 810	28.7	43.4	1 912	27.0	43.0	1 920	25.1

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参考文献(9)

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[3]	李庆梁. 小型变压器设计[M]. 人民邮电出版社, 1985.
[4]	杨五强. 变结构与变预载的静电陀螺支承系统的研究[D]. 北京: 清华大学, 1988.
[5]	高钟毓. 静电陀螺仪技术[M]. 清华大学出版社, 2004.
[6]	张军安, 邱长华, 颜明, 等. 静电陀螺仪空心球转子变形分析[J]. 光学精密工程, 2006, 14(1): 116-120.
[7]	孙爱良. 静电悬浮转子悬浮控制系统探析[J]. 自动化与仪器仪表, 2012(2): 182-183.
[8]	晏磊, 刘光军. 静电悬浮控制系统[M]. 国防工业出版社, 2001.
[9]	肖奇军, 李胜勇, 陈文元, 等. 静电悬浮转子微陀螺悬浮控制系统级仿真[J]. 中国惯性技术学报, 2013, 21(3): 397-401.