CN101701824A - 基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，由惯性测量装置A和单轴精密机械转台B两大部分组成。在惯性测量装置A中，激光陀螺和石英加速度计与支架之间均采用全刚性联接，采用标准紧固螺钉将惯性测量装置A固定在单轴精密转台B上，精确标校惯性测量装置A与单轴精密转台B之间的相对姿态，保证惯性测量装置A解算姿态的精度和同步性。利用单轴精密机械转台的周期性旋转调制惯性测量单元中惯性器件的常值漂移，提高姿态测量系统的对准精度和导航姿态精度。本发明能为载体(舰船)提供长时间、实时、完整的高精度姿态信息，提高载体的综合作战能力。

Description

基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统

技术领域

本发明是一种应用于长时间惯性导航的高精度单轴旋转姿态测量系统，属惯性导航领域。

背景技术

激光捷联惯性导航技术是近年来惯性导航技术的一个重要发展方向，惯性技术是利用惯性导航原理或者其他有关原理，自主地测量和控制物体角运动及线运动参数的工程技术。它是惯性导航制导、惯性测量和惯性敏感器技术的总称。激光捷联惯性导航系统是将惯性器件直接固定在载体上，由激光陀螺和加速度计分别测量沿载体坐标系的三个转动角速度和三个线速度，经过计算得到运载体的速度、位置、航向和水平姿态等各种导航信息。系统求得导航参数无需依赖任何外界信息，是一种完全自主式的导航系统。

姿态测量是惯性技术应用的一个重要领域，利用角敏感传感器(陀螺仪)测量载体的角运动信息，通过解算获取载体的运动姿态，包括航向、俯仰、横滚等姿态信息，用于载体的姿态测量、控制或跟踪中，广泛应用于航空、航天和航海等领域。在军事应用领域，特别是水面舰船和潜艇，武器装备对长时间、高精度的姿态需求更加强烈。

对于激光陀螺捷联惯导系统，姿态精度主要受惯性测量单元中惯性器件的误差和减震器变形的影响。惯性器件的误差会引起随时间增长的系统姿态误差，减震器的变形会使系统在剧烈运动下姿态产生跳变，这种姿态跳变通过软件算法的补偿无法消除。因此，对于现有的激光陀螺捷联惯导系统，采用常规的捷联式方案，难以制成长时间使用的高精度姿态测量系统。

发明内容

本发明的目的是：采用单轴旋转方案来抑制惯性器件输出中的各种误差因素所引起的导航姿态误差，采用全刚性联接结构保证系统的姿态精度，为载体提供长时间、高精度的姿态信息。

为实现本发明目的采用的技术解决方案是：

一种基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，由单轴精密机械转台和惯性测量装置两大部分组成。利用单轴精密机械转台周期性的旋转以调制惯性测量单元中惯性器件的常值漂移。系统长时间、高精度的提供姿态信息依靠以下技术实现：(1)全刚性联接结构；(2)单轴旋转方式的选择；(3)精确的惯性测量单元安装标定；(4)精确的多位置初始对准；(5)高精度的姿态解算算法等。

本发明的优点是：在增加系统成本较少的前提下，极大的提高了姿态测量系统的精度；采用单轴旋转惯性测量组件的方式，显著减小了陀螺漂移对系统的影响；采用全刚性联接安装方式，消除了减震器变形引起的姿态误差；采用全温域的安装标定和多位置初始对准方案，减小了环境对系统的影响，提高了对准精度，提高了系统在各种条件下工作的能力。系统采用捷联方案，结构简单、成本低、可靠性高。

附图说明

图1为基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统的示意图。

图2为基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统的惯性测量单元结构示意图。

图3为基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统的工作原理示意图。

图4为基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统的自动补偿原理示意图。

图5为惯性测量单元转动次序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、2、3所示，3个激光陀螺和3个加速度计正交安装在惯性测量单元(IMU)的支架上，支架通过标准紧固螺钉安装在单轴精密机械转台上，单轴精密机械转台绕轴向周期性的往复转动。IMU中的激光陀螺和加速度计敏感惯性空间的角速率和加速度，经误差补偿后输出给导航计算机解算IMU的姿态信息。利用事先标定的IMU相对于载体的水平姿态及转台输出的角位置，精确确定载体的姿态信息。

为了获得基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，需要完成以下工作：

1.全刚性联接结构。

在惯性测量装置A中，激光陀螺(图2中1、2、3)和石英加速度计组件4与支架5之间采用刚性联接，采用标准紧固螺钉6将惯性测量装置A固定于单轴精密转台B上，保证惯性测量装置A与精密机械转台B之间的姿态的精度和同步性。精确标校惯性测量装置A与单轴精密转台B的相对姿态，以转台台体姿态作为系统的姿态输出。

2.单轴旋转方式。

在进行初始对准和导航解算之前，需要明确旋转调制的基本原理和单轴转台的旋转方法。

捷联惯导系统的误差方程为：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^n=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^n\×{\mathrm{\φ}}^n+{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{in}}^n-C_b^n\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{v}}^n=f^n\×{\mathrm{\φ}}^n+C_b^n\mathrm{\δ}{f}^b-(2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)\×{\mathrm{\δv}}^n-(2{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{en}}^n)\×v^n+{\mathrm{\δg}}^n---\left(2\right)$

其中n表示导航坐标系，如图4中的ENU；b表示IMU构成的载体坐标系，如图4中的xyz；i表示惯性坐标系；e表示地球坐标系。φⁿ为计算导航坐标系与真实导航坐标系之间的姿态失准角，v和δv分别为速度和速度误差，ω和δω分别为角速度和角速度误差，f和δf分别为加速度计的比力和比力误差，δg为重力误差，C_b ⁿ为姿态矩阵。从(1)(2)两式中可以看出，陀螺误差δω_ib ^b(ε_x，ε_y，ε_z)和加速度计误差

是惯导系统的主要误差源，而陀螺和加速度计的误差通过乘以姿态矩阵投影到ENU坐标系上，才在系统中起作用的。以x陀螺为例(如图4所示)，当转台角为0°时，IMU构成的载体坐标系中x陀螺漂移沿+E方向，当转台转过180°时，IMU构成的载体坐标系中x陀螺漂移沿-E方向，从导航坐标系ENU中看去，陀螺漂移对系统的影响相互抵消。因此经过周期性的旋转，陀螺漂移对系统的影响就大大降低。

旋转方式对系统同样有影响，本发明提出一种旋转方式，如图4所示。IMU安装在单轴转台上，按照1-2-3-4的顺序周期性旋转，每个位置停1分钟或3分钟。

3.精确的IMU的安装标定。

采集IMU中激光陀螺和加速度计的输出信号，在带有温箱的三轴转台上标定激光陀螺和加速度计的安装误差和标度因数误差，对不同温度点下的安装误差、标度因数误差做最小二乘拟合，获得最优的安装标定参数，对惯性器件进行误差补偿。

4.精确的多位置初始对准。

利用单轴转台周期性的改变惯性测量单元的航向，设计了一种高精度的基于转动基座的初始对准方法。以水平速度和经纬度作为观测量，运用卡尔曼滤波器，精确估计惯导系统的初始平台误差角φ_E，φ_N，φ_U，陀螺漂移ε_E，ε_N，加速度计漂移a_E，a_N，水平速度误差v_E，v_N，并反馈给导航系统进行补偿，得到惯导系统精确的初始横滚角、俯仰角、航向角信息。

5.高精度的姿态解算算法。

采用四元数算法计算惯性测量单元的姿态角，四元数q的更新方程为

$q(t+h)=q\left(t\right)\⊗q\left(h\right)---\left(3\right)$

其中：q(t+h)和q(t)分别表示载体在时刻t+h和t的姿态四元数，q(h)为姿态更新四元数，

$q\left(h\right)=\cos \frac{\mathrm{\φ}}{2}+\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\φ}}\sin \frac{\mathrm{\φ}}{2}---\left(4\right)$

式中Φ为t时刻载体坐标系至t+h时刻载体坐标系的等效旋转矢量，φ＝|Φ|，采用优化的双子样算法更新旋转矢量Φ，即

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\θ}+\frac{32}{45}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-\frac{1}{180}({\mathrm{\θ}}^{\′}\×\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

其中，θ为补偿周期的角增量之和，θ′为前一补偿周期的角增量之和，通过旋转矢量与四元数的关系，更新姿态矩阵

$C_b^t=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]---\left(6\right)$

通过姿态矩阵C_b ^t获得载体相对导航坐标系的姿态角。

Claims (8)

1.一种基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于长时间、实时的为载体提供高精度的姿态信息。通过以下步骤实现：

(1)全刚性联接结构。在惯性测量装置A中，激光陀螺和石英加速度计与支架之间均采用全刚性联接，通过标准紧固螺钉将惯性测量装置A固定在单轴精密转台B上，保证惯性测量装置A解算的姿态的精度以及惯性测量装置A和精密转台B之间的同步性。精确标校惯性测量装置A与单轴精密转台B的相对姿态，以转台台体姿态作为系统的姿态输出。

(2)单轴旋转方式。惯性导航系统在对准及导航过程中，利用单轴转台旋转惯性测量单元，减小水平陀螺常值漂移对系统的影响并提高初始对准的精度。单轴转台采用四位置转/停的旋转方式。

(3)精确的惯性测量单元安装标定。采集惯性测量单元中激光陀螺和加速度计的输出信号，在带有温箱的三轴转台上精确标定激光陀螺和加速度计在不同温度下的安装误差和标度因数误差，对惯性器件进行误差补偿。

(4)精确的多位置初始对准。利用单轴转台周期性的改变惯性测量单元的航向，设计了一种高精度的基于转动基座的初始对准方法。以水平速度和位置信息作为观测量，运用卡尔曼滤波器，精确估计惯导系统的初始平台误差角φ_E，φ_N，φ_U，陀螺漂移ε_E，ε_N，ε_U，加速度计漂移a_E，a_N，a_U，水平速度误差v_E，v_N，并反馈给导航系统进行补偿，得到惯导系统精确的初始横滚角、俯仰角、航向角信息。

(5)高精度的姿态解算算法。采集激光陀螺输出的载体相对于惯性坐标系的角速度计算旋转矢量Φ，采用优化的双子样算法更新旋转矢量Φ，即

其中，θ为补偿周期的角增量之和，θ′为前一补偿周期的角增量之和。利用旋转矢量与四元数的关系，由姿态四元数更新方程更新四元数。通过更新周期内的四元数得到捷联矩阵，获得载体相对导航坐标系的姿态。

2.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于惯性测量单元中激光陀螺和加速度计相对于精密机械转台为全刚性联接方式。

3.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于精确标校惯性测量装置中激光陀螺和加速度计相对于单轴精密机械转台的姿态。

4.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于在不同温度点对惯性测量单元进行安装标定。

5.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于采用单轴旋转的方式减小陀螺常值漂移对系统的影响。

6.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于单轴精密机械转台采用转停结合的方式，在0°，90°，180°，270°四个位置之间往复旋转。

7.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于单轴精密机械转台每个位置停1分钟或3分钟，旋转过程中旋转速度为30°/s。

8.如权利要求1所述的基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于单轴精密机械转台的转动次序为0°→180°→270°→90°→0°，周而复始。

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