CN101124456A - 产生导航参数和竖直位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪表工程，并且可以用于为海运设备、航空设备和地面车辆等载运工具的定位确定主导航参数。技术效果包括输出参数的精度提高，包括显著提高载运工具航向的产生精度，以及明显改进输出参数产生的动态性能。为此，本发明的方法在没有弹道偏差时，在自发地使陀螺平台或陀螺平台模型的自然周期与舒勒周期不同的条件下，产生陀螺平台或陀螺平台模型的控制信号。

Description

产生导航参数和竖直位置的方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪表工程，并且可以用于海运设备、航空设备和地面车辆等载运工具的导航。

背景技术

导航参数和竖直位置(方位)的产生方法是众所周知的。该方法包括利用加速度计测量特定的分力(力分量)，其中，加速度计的灵敏轴连接着陀螺平台；产生陀螺平台控制信号；接下来，借助于陀螺仪或绝对角速度传感器显示所产生的信号[1]。除此之外，产生方法可以包括利用加速度计测量特定的分力；测量来自陀螺或绝对角速度传感器的信号，其中，加速度计的灵敏轴沿着仪表三维坐标架(trihedral)的轴线定向；借助于惯性系统的操作模拟得到方位问题的解析解[2]；产生导航参数和竖直位置。

上述方法的缺点在于，精度性能和动态特性有限。

发明内容

本发明的目的是提高所述方法的精度性能并且增强其动态能力。

上述技术效果可通过下面的措施实现：在没有弹道偏差时，在陀螺平台或陀螺平台模型的自然周期与舒勒周期不同的条件下，产生陀螺平台或陀螺平台模型的控制信号；利用惯性系统或它们的模型产生的同类数据与各种自然周期之间的差异，提供每个惯性系统或每个惯性系统模型的渐近式稳定化(自发衰减)；利用惯性系统或它们的模型产生的同类数据与各种自然周期之间的差异，以不同的参数“n”，提供对仪器误差的评估；通过增加对罗盘子午线的控制力来提高所产生的载运工具航向的精度并降低系统准备时间。

通过方位问题的解析解，可以获得仪表误差评估和改进系统动态性能方面的最佳效果。在这种情况下，来自具有不同参数且处于不同模式的惯性系统的不同模型的同类数据被比较。可以提供实施本发明方法的惯性系统的若干实施例：具有线性校正的惯性系统，其陀螺平台位于二轴或三轴常平架中；具有线性校正的惯性系统，其与具有积分校正(integral correction)的惯性系统相组合；捷联惯性系统(strapdown inertial system)。下面将描述最普通的情况。

具体实施方式

附图中显示了用于执行本发明方法的惯性系统的功能框图(见图1)。

被考察的具有线性校正的惯性系统包括两个结构上相同的稳定陀螺平台1和1’，以及单元2-其为控制和输出所产生参数的单元。每个稳定陀螺平台上设有一个二自由度陀螺仪(3和3’)。在此，陀螺的角动量垂直于陀螺平台的平面。陀螺仪具有转矩发生器4、5和4’、5’以及角度感应器6、7以及6’、7’。此外，每个稳定陀螺平台上装有加速度计8、9或8’、9’。每个陀螺平台上的加速度计灵敏轴彼此正交并且平行于陀螺平台平面。一个加速度计的轴平行于陀螺平台的常平架(gimbal)的内轴。常平架11和11’的外轴安装在公共常平环18(见图2)中。公共常平环的轴安装在水平稳定平台19上。轴11和11’平行于稳定平台19的平面，并且相互平行。电机20和航向传感器21设置在公共常平环的轴上。角度感应器16和16’也设置在公共环18上，用于测量速度偏差α1和α2。陀螺仪3和3’的角度感应器6、7和6’、7’的输出端借助于放大器12、13和12’、13’连接至电机14、15和14’、15’的输入端，电机连接着常平架轴。角度感应器16、17和16’、17’也连接着常平架轴。陀螺3和3’的转矩发生器4、5和4’、5’的输入端连接着控制和输出参数产生单元2的相应输出端。加速度计8、9和8’、9’以及角度感应器16、17和16’、17’的输出端连接着单元2的相应输入端。单元2与具有积分校正功能的惯性系统之间具有数据通信。

单元2对使用者的输出为K-载运工具航向，-纬度，λ-经度，θ和ψ-滚转角度和俯仰角度。

这里提出的系统以下述方式操作。利用来自陀螺3和3’的角度感应器6、7和6’、7’的误差信号，通过电机14、15和14’、15’分别使每个陀螺平台与陀螺壳体恒定地保持在一个平面内。

利用产生于单元2中的信号的控制电流通过陀螺3和3’的转矩发生器4、5和4’、5’施加扭矩，借助于所述扭矩将每个陀螺的壳体与陀螺平台一起带到与给定陀螺平台的速度偏差指示值相对应的位置。每个陀螺平台的速度偏差指示值彼此不同，因此角度感应器16和16’的读数差异成为用于确定达布三维坐标架(Darbouxtrihedron)的绝对角速度的水平分量的初始数据源。利用伺服电机20，公共常平环18的平面恒定地保持在垂直于罗盘子午线所在平面的方向上。

假定选择达布移动三维坐标架作为初始坐标系E₀N₀ζ₀，其轴线ON₀定向为绝对角速度

的水平分量。那么，三维坐标架E₂N₂ζ₂绝对角速度在其轴线上的投影为0、

r。三维坐标架E₀N₀ζ₀顶点加速度在其轴OE₀和ON₀上的投影为

rV。其中g-重力。

假定右手坐标系E₁N₁ζ₁刚性结合于第一陀螺平台的陀螺壳体。假定坐标系E₂N₂ζ₂刚性结合于第二陀螺平台的陀螺壳体。通过绕轴线OE₀转动角度α₁并绕辅助轴线ON₁’转动角度β₁，得到坐标系E₁N₁ζ₁。通过绕轴线OE₀转动角度α₂并绕辅助轴线ON₂’转动角度β₂，得到坐标系E₂N₂ζ₂。

考虑到陀螺漂移，三维坐标架E₁N₁ζ₁和E₂N₂ζ₂的绝对角速度在轴线OE₁、ON₁、OE₂、ON₂上的投影为：

${\mathrm{\Ω}}_{E1}={\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_1+(\frac{V}{R}\sin {\mathrm{\α}}_1-r\cos {\mathrm{\α}}_1){\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\Δp}}_1$

${\mathrm{\Ω}}_{N1}={\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_1+\frac{V}{R}{\cos \mathrm{\α}}_1+r\sin {\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\Δq}}_1$

${\mathrm{\Ω}}_{E2}={\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_2+(\frac{V}{R}\sin {\mathrm{\α}}_2-r\cos {\mathrm{\α}}_2){\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\Δp}}_2$

${\mathrm{\Ω}}_{N2}={\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2+\frac{V}{R}\cos {\mathrm{\α}}_2+r\sin {\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\Δq}}_2$

三维坐标架E₁N₁ζ₁和E₂N₂ζ₂的顶点在轴线OE₁、ON₁和轴线OE₂、ON₂上的特定力投影为：

$W_{E1}=\stackrel{\·}{V}-(g\cos {\mathrm{\α}}_1-\mathrm{rV}\sin {\mathrm{\α}}_1){\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\ΔW}}_{E1}$

W_N1＝gsinα₁+rVcosα₁+ΔW_N1

$W_{E2}=\stackrel{\·}{V}-(g\cos {\mathrm{\α}}_2-\mathrm{rV}\sin {\mathrm{\α}}_2){\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\ΔW}}_{E2}$

W_N2＝gsinα₂+rVcosα₂+ΔW_N2

其中Δp₁、Δp₂、Δq₁、Δq_2-陀螺漂移。

ΔW_E1、ΔW_N1、ΔW_E2、ΔW_N2-加速度计误差。为了使得陀螺平台的自然周期不同于舒勒周期(Schuler period)，速度偏差的不变值可以是，例如：

${\mathrm{tg\α}}_1=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R};$ ${\mathrm{tg\α}}_2=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R}---\left(1\right)$

或

${\sin \mathrm{\α}}_1=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R};$ ${\sin \mathrm{\α}}_2=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R}$

陀螺控制信号在坐标系E₁N₁ζ₁和E₂N₂ζ₂中可以具有例如下述形式：

${\mathrm{\Ω}}_{E1\mathrm{con}.}=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{W_{E1}}{R}-\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{{\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{dev}.}}{R}{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.};$ ${\mathrm{\Ω}}_{N1\mathrm{con}.}=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{(W_{N1}+W_{N2})}{2R}+\frac{V_{\mathrm{dev}.}}{R}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}$

${\mathrm{\Ω}}_{E2\mathrm{con}.}=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{W_{E2}}{R}-\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{{\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{dev}.}}{R}{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.};$ ${\mathrm{\Ω}}_{N2\mathrm{con}.}=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{(W_{N1}+W_{N2})}{2R}+\frac{V_{\mathrm{dev}.}}{R}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}$

其中ω_0-舒勒频率；

n₁、n_2-系统参数。

假定m＝-n₁＝n，2α_dev.＝α₂-α_1-角度感应器16’和16读数的差异；

为了为 ${\sin \mathrm{\α}}_1=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R};$ ${\sin \mathrm{\α}}_2=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{V}{R}$ 这种情况提供速度偏差的不变值，陀螺控制信号可以具有以下形式，例如，

${\mathrm{\Ω}}_{E1\mathrm{con}.}=\frac{n_1}{{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}}\frac{W_{E1}}{R};$ ${\mathrm{\Ω}}_{N1\mathrm{con}.}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{n_1}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}-\frac{n_1(W_{N1}+W_{N2})}{{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}2R}$

${\mathrm{\Ω}}_{E2\mathrm{con}.}=\frac{n_2}{{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}}\frac{W_{E2}}{R};$ ${\mathrm{\Ω}}_{N2\mathrm{con}.}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{n_2}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}-\frac{n_2(W_{N1}+W_{N2})}{{\mathrm{\ω}}_0\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}2R}$

提供给电机20的控制稳定性的信号为 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{K}=F({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1),$ 其中

产生罗盘航向时的误差；

F-传递函数；

β₂-β₁-角度感应器17’和17读数的差异。

在n＞1的情况下，作用于陀螺的控制力增加，因而陀螺漂移对所产生参数的精度的影响降低。通过这种措施，载运工具航向产生的精度充分增加。

利用角度值α_dev.，绝对角速度的水平分量可由下述公式产生：

$\frac{V_{\mathrm{dev}.}}{R}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{n}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}.$

达布三维坐标架的绝对角速度的竖直分量可由下述公式产生：

$r_{\mathrm{dev}.}=\frac{{\hat{W}}_N}{V_{\mathrm{dev}.}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{dev}.}}$

利用

r_dev.和罗盘航向K_GC的值，位置坐标和λ以及载运工具航向K被产生。为了解释前面提到过的问题，需要根据公式(1)使用陀螺平台或陀螺平台模型的控制信号。

系统操作方程为：

Ω_E1＝Ω_E1con.   Ω_N1＝Ω_N1con.

-Ω_E2＝Ω_E2con.  -Ω_N2＝Ω_N2con

陀螺平台和陀螺平台模型的误差方程如下所述，其中不允许绝对角速度r的竖直分量影响各个部件：

$-\mathrm{\Δ}\widetilde{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}-n{\mathrm{\ω}}_0{\cos }^3\mathrm{\α}\·\widehat{\mathrm{\β}}=\mathrm{\Δ}\tilde{p}+\frac{n}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_E}{R}$

$-\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{n\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\α}}=\mathrm{\Δ}\hat{q}---\left(2\right)$

$-\mathrm{\Δ}\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}-n{\mathrm{\ω}}_0\cos \mathrm{\α}\·\widetilde{\mathrm{\β}}=\mathrm{\Δ}\hat{p}+\frac{n}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\mathrm{\Δ}{\tilde{W}}_E}{R}$

$-\widetilde{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}+n{\mathrm{\ω}}_0\cos \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\α}}=\mathrm{\Δ}\tilde{q}+\frac{n}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_N}{R}---\left(3\right)$

其中

-陀螺摆产生水平面时的特征误差。

通过这种方式， $\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1}{2};$ $\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1}{2};$ $\widetilde{\mathrm{\β}}=\frac{{\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1}{2};$ $\widehat{\mathrm{\β}}=\frac{{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\β}}_1}{2};$

其中Δα₁、β₁-一个陀螺平台的误差；

Δα₂、β₂-另一个陀螺平台的误差；

$\mathrm{\Δ}\hat{p}=\frac{\mathrm{\Δ}{p}_2+\mathrm{\Δ}{p}_1}{2};$ $\mathrm{\Δ}\tilde{p}=\frac{\mathrm{\Δ}{p}_2-\mathrm{\Δ}{p}_1}{2};$ $\mathrm{\Δ}\hat{q}=\frac{\mathrm{\Δ}{q}_2+\mathrm{\Δ}{q}_1}{2};$ $\mathrm{\Δ}\tilde{q}=\frac{\mathrm{\Δ}{q}_2-\mathrm{\Δ}{q}_1}{2};$

$\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_E=\frac{\mathrm{\Δ}{W}_{E2}+\mathrm{\Δ}{W}_{E1}}{2};$ $\mathrm{\Δ}{\tilde{W}}_E=\frac{\mathrm{\Δ}{W}_{E2}-\mathrm{\Δ}{W}_{E1}}{2};$ $\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_N=\frac{\mathrm{\Δ}{W}_{N2}+\mathrm{\Δ}{W}_{N1}}{2}$

根据方程(2)和(3)，在没有坐标

的弹道偏差(ballistic deviations)的情况下，陀螺平台的自然频率为nω₀cosα；由于坐标

-ω₀cosα，陀螺平台或陀螺平台模型的自然频率不同于舒勒频率ω₀。这样，差别程度取决于参数《n》。 $T=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0},$ 其中T为舒勒周期。根据方程(3)，作用于罗盘子午线的控制力增大nω₀cosα，惯性系统模型方位问题的解析解产生的载运工具航向误差减小(ncosα)²倍：

$\mathrm{\Δ}\hat{K}=-\frac{\mathrm{\Δ}\hat{p}}{\frac{V}{R}{\left(n\cos \mathrm{\α}\right)}^2}=\frac{\widetilde{\mathrm{\β}}}{\sin \mathrm{\α}}.$

图3显示了利用三轴常平架中的陀螺平台进行线性校正的惯性系统的示意图。可以看出，在这种情况下所产生的罗盘航向的误差为：

其中ω-地球角速度；

-纬度。

广义坐标 $\mathrm{\Δ}\tilde{K}=K_2-K_1$ 可观测到。

图4显示了利用二轴常平架中的陀螺平台进行线性校正的惯性系统的示意图。电机20’由角度数据发送器17’的信号控制。可以看出，在这种情况下所产生的罗盘航向的误差为：

$\mathrm{\Δ}\hat{K}=\frac{\widetilde{\mathrm{\β}}}{\sin \mathrm{\α}}=-\frac{\mathrm{\Δ}\hat{p}}{\frac{V}{R}{\left(n\cos \mathrm{\α}\right)}^2}.$

广义坐标

可观测到。

具有积分校正以提供陀螺平台水平稳定性的惯性系统可以确定载运工具罗盘航向值KGC_is和绝对角速度

的水平分量值本身，而与达布三维坐标架绝对角速度的水平分量无关。利用加速度计的读数，惯性系统可以确定达布三维坐标架E₀N₀ζ₀的顶点加速度在其轴线ON₀和OE₀上的投影：(rV)_is和

前面提到的信息，与被考察的具有线性校正的惯性系统产生的相同名称的信息一起，可以用于控制前述两种系统。

利用相同名称的信息的差异信号，可以提供具有不同平率特性的两个系统的渐近式稳定化(衰减)，以及估测它们的仪器误差。在惯性系统的捷联应用中，可通过模拟解决前面提到的问题。

引用文献：

[1]В.А.Беленький-俄国专利No.2000544

[2]А.В.Репников，Γ.П.Сачков，А.И.Черноморский-《Γироскопические системы》

Claims (4)

1.一种产生导航参数和竖直位置的方法，包括：

-利用加速度计测量特定的分力，其中，加速度计的灵敏轴连接着陀螺平台；产生陀螺平台控制信号；然后利用陀螺或绝对角速度传感器指示所产生的信号，

或者

-利用加速度计测量特定的分力；测量来自陀螺或绝对角速度传感器的信号，其中，加速度计的灵敏轴沿着仪表三维坐标架的轴线定向；借助于惯性系统的操作模拟获得方位问题的解析解；产生导航参数和竖直位置，

-其中，在没有弹道偏差时，在陀螺平台或陀螺平台模型的自然周期与舒勒周期不同的条件下，产生陀螺平台或陀螺平台模型的控制信号。

2.一种产生导航参数和竖直位置的方法，包括：

-利用加速度计测量特定的分力，其中，加速度计的灵敏轴连接着陀螺平台；产生陀螺平台控制信号；然后利用陀螺或绝对角速度传感器指示所产生的信号，

或者

-利用加速度计测量特定的分力；测量来自陀螺或绝对角速度传感器的信号，其中，加速度计的灵敏轴沿着仪表三维坐标架的轴线定向；借助于惯性系统的操作模拟获得方位问题的解析解；产生导航参数和竖直位置，

-其中，利用惯性系统或它们的模型产生的同类数据与各种自然周期之间的差异，提供每个惯性系统或每个惯性系统模型的渐近式稳定化(自发衰减)。

3.一种产生导航参数和竖直位置的方法，包括：

-利用加速度计测量特定的分力，其中，加速度计的灵敏轴连接着陀螺平台；产生陀螺平台控制信号；然后利用陀螺或绝对角速度传感器指示所产生的信号，

或者

-利用加速度计测量特定的分力；测量来自陀螺或绝对角速度传感器的信号，其中，加速度计的灵敏轴沿着仪表三维坐标架的轴线定向；借助于惯性系统的操作模拟获得方位问题的解析解；产生导航参数和竖直位置，

-其中，利用惯性系统或它们的模型产生的同类数据与各种自然周期之间的差异，以不同的参数“n”，提供对仪器误差的评估。

4.一种产生导航参数和竖直位置的方法，包括：

-利用加速度计测量特定的分力，其中，加速度计的灵敏轴连接着陀螺平台；产生陀螺平台控制信号；然后利用陀螺或绝对角速度传感器指示所产生的信号，

或者

-利用加速度计测量特定的分力；测量来自陀螺或绝对角速度传感器的信号，其中，加速度计的灵敏轴沿着仪表三维坐标架的轴线定向；借助于惯性系统的操作模拟获得方位问题的解析解；产生导航参数和竖直位置，

-其中，通过增加对罗盘子午线的控制力来提高所产生的载运工具航向的精度并降低系统准备时间。

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