CN101216313A - 基于光纤陀螺的多位置寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺的多位置寻北方法，其步骤为：将作为敏感元件的光纤陀螺安装在位置转台上，陀螺的输入轴垂直于转台的转轴；以初始位置为基准，位置转台分别转动到一周内相同角度间隔的各位置上，在每个位置上停止，测量固定时间段的光纤陀螺静止输出；根据测量得到的光纤陀螺在每个位置上的输出值，计算固定时间段内的输出均值，再根据最小二乘法拟合，估算参数，从而计算出初始位置的北向方位角。本发明克服了动态寻北中对转台转速的均匀性、转动时振动幅度的严格要求，并且可以根据调整角度间隔和采集时间间隔实现快速寻北和提高寻北精度。

Description

基于光纤陀螺的多位置寻北方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤陀螺的多位置寻北方法。

背景技术

在人类生活实践中，地理方位的确定具有重要意义。惯性寻北技术的发展解决了不同精度等级的地理定位和定向问题。光纤陀螺具有全固态、寿命长、温度范围宽等特点，基于光纤陀螺的寻北仪不依赖于外界信息，不向外辐射能量，不受地形、气候等外界环境的干扰，可以全天候快速寻北。广泛应用于民用航空和航海、矿藏勘探、雷达天线，汽车导航，初始对准等不同领域。

以光纤陀螺为敏感元件的寻北方法一般可分为静态寻北方法(SNFS)和动态寻北方法(DNFS)。静态寻北的实现精度相对比较高，但寻北速度比较慢；动态寻北的寻北时间短，可以实现快速寻北，但精度相对比较低。

在动态寻北中，传统实现方法是在转台匀速转动下测定敏感元件在相同时间间隔点的输出值，由转速、取样时间和敏感元件输出共同决定最终的寻北结果，这样就对寻北测量整个过程中的转动速率均匀性有相当高的要求。而在转台从初始位置启动过程中，速度从0变化到一定值的匀速过程有一段过渡时间，如果在此过渡时间内的速率看成匀速，将导致采集数据相对于计算位置有一定的偏差；并且在每个时间点进行采样的速度要求足够快，这就确定了每个取样点采集数据的数据量也是一定的，增加了测量误差；由于在进行光纤陀螺数据采样过程中转台处于转动状态，转台转动中的振动将会给测量数据引入扰动误差。所以为了克服动态寻北的缺点，降低对寻北硬件的要求，同时能够保留动态寻北和静态寻北的优点，本发明设计了一种多位置寻北方法，利用位置台，通过调节相应参数实现快速寻北以及提高寻北精度。

发明内容

本发明的目的是克服传统动态寻北方法中，转台速率均匀性和转动振动对光纤陀螺测量的影响，提供了一种利用位置转台，易实现的基于光纤陀螺的多位置寻北方法。其实现步骤如下：

1)调整位置转台，使位置转台转轴垂直于水平面，将作为敏感元件的光纤陀螺固定在位置转台中心，使光纤陀螺输入轴垂直于位置转台转轴，并与位置转台上的待测定的初始位置对准；

2)取位置转台转动角度Δθ＝360/N，其中N为整数，以初始位置为第一个测量位置，光纤陀螺的输出测量时间Δt秒，得到此位置处光纤陀螺在测量时间Δt内的输出值{y_0j}；

3)然后位置转台转动角度Δθ，停止1秒钟后，测量并得到此位置处光纤陀螺在测量时间Δt内的输出值{y_1j}；

4)以转动角度Δθ为步阶，重复步骤3)，按照从步骤2)到步骤3)的转动方向，依次转动i-2次，测量并得到在i-2个位置处光纤陀螺在测量时间Δt彳的输出值{y_2j}，......{y_(N-1)j}；

5)根据所得到的光纤陀螺在每个位置上的输出值{y_ij}，计算Δt段内的输出均值{y_i}，得到数列{y_i，iΔθ}，其中i＝0，......N-1；

6)将步骤5)得到的数列{y_i，iΔθ}代入y_i＝B₀+AcosiΔθ+BsiniΔθ进行最小二乘法拟合，其中，A＝kω_e cos_ecos₀，B＝-kω_e cos_esin₀，计算得到A和B；

7)将步骤6)得到A和B代入公式₀＝arctan(B/A)，计算出初始位置的北向方位角₀。

所述的光纤陀螺中k表示光纤陀螺的比例因数，_e表示侧测试点的地理纬度，ω_e表示地球自转。

位置转台转动的角速度小于20°/s，测定的位置数i大于15个，在步骤4)结束之后，转过Δθ回到初始位置。

本发明仅要求寻北的转动部件具有一定的转位精度，而不需要对转动过程中的速率均匀性和振动等参数作精密要求。而设计寻北仪，要求转台具有较高的匀速转动的速率均匀性和振动性能，这大大提高了其硬件成本，所以此方法在转位机构硬件实现上的优点在于可以只考虑精密的转位机构，而不需选择性能过好，价格昂贵的精密转台。

本发明能够通过调整测量位置角度间隔和采样时间实现快速寻北和提高寻北精度。在每个位置点静止状态下进行固定时间段的数据采样，最终取均值进行参数估计，减少了异常值和降低了噪声，增强了整个寻北测量的稳定性，提高了整个寻北测量精度。

附图说明

图1是地球转速在北向和天向的分解关系示意图；

图2是水平切平面内一周各位置的地球转速示意图；

图3是光纤陀螺多位置寻北技术的数据拟合框图；

图4是多位置寻北测量中光纤陀螺位置结构示意图；

图中：地心o_e，地球自转速率ω_e，地表位置o，o点的地理纬度_e，地球转速北向分量ω_N，地球转速天向分量ω_Z，初始位置d，光纤陀螺a，光纤陀螺输入基准轴b，转台c，北向N，东向E。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明进行进一步详述。

寻北测量原理是根据光纤陀螺感应地球自转角速率分量来实现的。地球存在绕自转轴自西向东的自转，平均角速率为每小时15.041度，周期变化在毫秒级内，在寻北精度范围内可以看作绝对稳定的参考测量源。地球转速ω_e在地理位置o处(地理纬度为_e)，如图1所示，在天向和北向两个相互垂直的矢量方向进行分解，得到ω_N＝ω_e cos_e和ω_Z＝ω_esin_e。在位置o处与天向垂直的地表切平面内，在与地理北向夹角为位置的地球转速分量为ω_N＝ω_Ncos，那么在此平面内转动一周，各位值的地球转速分量呈余弦曲线变化，如图2所示。

基于光纤陀螺的多位置寻北方法包括如下步骤：

1)调整位置转台，使位置转台转轴垂直于水平面，将作为敏感元件的光纤陀螺固定在位置转台中心，使光纤陀螺输入轴垂直于位置转台转轴，并与位置转台上的待测定的初始位置对准；

2)取位置转台转动角度Δθ＝360/N，其中N为整数，以初始位置为第一个测量位置，光纤陀螺的输出测量时间Δt秒，得到光纤陀螺在测量时间Δt内的输出值{y_0j}，位置转台转动角度Δθ＝10°，其中N＝36，光纤陀螺在测量时间Δt＝5s，；

3)然后位置转台转动角度Δθ，停止1秒钟后，测量并得到此位置处光纤陀螺在测量时间Δt内的输出值{y_1j}；

4)以转动角度Δθ为步阶，重复步骤3)，按照从步骤2)到步骤3)的转动方向，依次转动i-2次，测量并得到在i-2个位置处光纤陀螺在测量时间Δt的输出值{y_2j}，......{y_(N-1)j}；

5)根据所得到的光纤陀螺在每个位置上的输出值{y_ij}，计算Δt段内的输出均值{y_i}，得到数列{y_i，iΔθ}，其中i＝0，......N-1；

6)光纤陀螺在i位置的输出可以公式表达为：y_i＝B₀+kω_ecos_ecos(iΔθ+₀)

根据上式，进行变换可得：

y_i＝B₀+kω_ecos_ecos(iΔθ+₀)

＝B₀+(kω_ecos_ecos₀)cosiΔθ+(-kω_ecos_esin₀)siniΔθ

＝B₀+AcosiΔθ+BsiniΔθ

将步骤5)得到的数列{y_i，iΔθ}代入y_i＝B₀+AcosiΔθ+BsiniΔθ进行最小二乘法拟合，曲线拟合如图3所示。其中，A＝kω_ecos_ecos₀，B＝-kω_e cos_esin₀，计算得到A和B，；

7)将步骤6)得到A和B代入公式₀＝arctan(B/A)，计算出初始位置的北向方位角₀。

所述的光纤陀螺中k表示光纤陀螺的比例因数，_e表示侧测试点的地理纬度，ω_e表示地球自转。

位置转台转动的角速度小于20°/s，测定的位置数i大于15个，在步骤4)结束之后，转过Δθ回到初始位置。

本方法采用的转位装置对其速率均匀性和转动振动幅度不作要求，只需根据寻北要求选定一定的转位精度。并且能够根据调整Δθ和Δt的大小提高寻北精度和实现快速寻北设计。

Claims (3)

1.一种基于光纤陀螺的多位置寻北方法，其特征在于包括如下步骤：

1)调整位置转台(c)，使位置转台转轴垂直于水平面，将作为敏感元件的光纤陀螺(a)固定在位置转台(c)中心，使光纤陀螺输入轴(b)垂直于位置转台转轴，并与位置转台上的待测定的初始位置(d)对准；

2)取位置转台转动角度Δθ＝360/N，其中N为整数，以初始位置(d)为第一个测量位置，光纤陀螺(a)的输出测量时间Δt秒，得到此位置处光纤陀螺(a)在测量时间Δt内的输出值{y_0j}；

3)然后位置转台(c)转动角度Δθ，停止1秒钟后，测量并得到此位置处光纤陀螺(a)在测量时间Δt内的输出值{y_1j}；

4)以转动角度Δθ为步阶，重复步骤3)，按照从步骤2)到步骤3)的转动方向，依次转动i-2次，测量并得到在i-2个位置处光纤陀螺(a)在测量时间Δt的输出值{y_2j}，......{y_(N-1)j}；

5)根据所得到的光纤陀螺(a)在每个位置上的输出值{y_ij}，计算Δt段内的输出均值{y_i}，得到数列{y_i，iΔθ}，其中i＝0，......N-1；

6)将步骤5)得到的数列{y_i，iΔθ}代入y_i＝B₀+AcosiΔθ+BsiniΔθ进行最小二乘法拟合，其中，A＝kω_ecos_ecos₀，B＝-kω_ecos_esin₀，计算得到A和B；

7)将步骤6)得到A和B代入公式₀＝arctan(B/A)，计算出初始位置的北向方位角₀。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的多位置寻北方法，其特征在于所述的光纤陀螺中k表示光纤陀螺的比例因数，_e表示侧测试点的地理纬度，ω_e表示地球自转。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的多位置寻北方法，其特征在于所述的位置转台(c)转动的角速度小于20°/s，测定的位置数i大于15个，在步骤4)结束之后，转过Δθ回到初始位置(d)。

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