CN101949699A - 数字式自适应万向组合陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字式自适应万向组合陀螺仪，其优选卫星处理器输入/输出端口与对应的数字化自适应陀螺仪的输入/输出端口连接；数字化自适应陀螺仪数据输出端口与优选数字化自适应陀螺仪的输入端口连接；优选数字化自适应陀螺仪处理器的数据输出端口与数据融合及卡尔曼滤波器数据输入端口连接；数据融合及卡尔曼滤波器的数据输出端口与输出数据控制器的数据输入端口连接；惯性陀螺仪的数据输入/输出端口与数据融合及卡尔曼滤波器的输入/输出端口连接；惯性陀螺仪的数据输出端口与输出数据控制器的接收惯性陀螺仪数据输入端口连接。本发明将数字化自适应陀螺仪和惯性陀螺仪组合成为数字式自适应万向组合陀螺仪，充分发挥各自的优点，缺点互补。

Description

数字式自适应万向组合陀螺仪

技术领域

本发明涉及的一种自适应陀螺仪，尤其涉及一种数字式自适应万向组合陀螺仪。

背景技术

传统的惯性陀螺仪包括机电惯性陀螺仪和光纤(激光)陀螺仪，是依据高速转动质量体的角动量守恒原理，当转速足够大时高速转动质量体保持恒定方向制成的，其具有自主工作能力较强，不受环境影响的特点，但其存在零点漂移较大，姿态角误差较大，对水平坐标系不能自适应等缺点。专利号为200610096130.5的中国专利公开了一种数字化自适应陀螺仪，这种数字化自适应陀螺仪的工作原理是利用至少三个小天线和多通道接收机接收至少四颗全球导航定位卫星的信号及数据，利用每颗导航卫星到达三个小天线和多通道接收机之间的相位差和三个小天线的相对坐标便可计算出三个小天线的相对坐标系(陀螺仪)的航向角、俯仰角和横滚角。全球导航定位卫星包括北斗、Galileo、GPS、GLONASS等任何现代全球导航定位卫星系统。这种数字化自适应陀螺仪解决了零点漂移的问题，姿态角度精度高，对水平坐标系和其他坐标系有自适应能力。但是在障碍物遮挡住全球导航定位卫星(以下简称导航卫星)时，这种数字化自适应陀螺仪不能正常工作，比如山地或建筑物的遮挡，或在移动载体转弯或翻滚运动时会对导航卫星的遮挡。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种既能克服零点漂移的问题且姿态角度精度高，又能抗遮挡的数字式自适应万向组合陀螺仪。

技术方案：为实现上述目的，本发明所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在于它包括1～3个数字化自适应陀螺仪、1～3个优选卫星处理器、优选数字化自适应陀螺仪处理器、数据融合及卡尔曼滤波器、惯性陀螺仪和输出数据控制器，所述优选卫星处理器输入/输出端口与对应的数字化自适应陀螺仪的优选卫星处理器输入/输出端口连接；所述数字化自适应陀螺仪数据输出端口与所述优选数字化自适应陀螺仪处理器数据输入端口连接；所述优选数字化自适应陀螺仪处理器的数据输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器数据输入端口连接；所述数据融合及卡尔曼滤波器的数据输出端口与所述输出数据控制器的数据输入端口连接；所述惯性陀螺仪的数据输入/输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器的输入/输出端口连接；所述惯性陀螺仪的数据输出端口与所述输出数据控制器的接收惯性陀螺仪数据输入端口连接。1～3个数字化自适应陀螺仪可克服移动载体遮挡导航卫星的问题，而惯性陀螺仪可克服障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的问题，两者结合，优势互补。在无障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选数字化自适应陀螺仪的数据输出；在有障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选惯性陀螺仪的数据输出。

每个数字化自适应陀螺仪上包括由三个天线组成的天线组、三个导航卫星多通道接收机和定位及姿态角处理器。用6个(或9个)天线、6个(或9个)多通道接收机同时接收三颗全球导航定位卫星信号(其中一个天线及多通道接收机能接收第4颗全球导航定位卫星信号，用于定位)进行互相之间相位差测量，经处理和变换得到姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)数据。

所述数字化自适应陀螺仪和优选卫星处理器可以为分体设置，也可以根据需要，将所述优选卫星处理器内置于数字化自适应陀螺仪中，使两者成一体设置。

使用时，用全球导航定位卫星信号测定姿态角技术对数字化自适应陀螺仪的天线进行互相之间相位差测量，并利用各天线位置的坐标，经处理和变换得到姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)数据。为保证姿态角精度，采用高精度相位差测量方法进行测量。当相位差大于多个2π出现不定值时，采用相位差测量消除模糊技术解决。

在不存障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的情况(如平原、海上、空中和外空)和不出现移动载体遮挡导航卫星的情况，数字化自适应陀螺仪单独使用为最好的技术方案。数字式自适应万向组合陀螺仪有三种具有抗遮挡能力的技术方案：(1)移动载体短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的情况和不出现移动载体遮挡导航卫星的情况，数字式自适应万向组合陀螺仪中的数字化自适应陀螺仪采用1个，对应的优选卫星处理器也采用1个，无障碍物(山地或建筑物)遮挡时，数字化自适应陀螺仪实时校准惯性陀螺仪数据，短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时，惯性陀螺仪输出移动载体姿态数据，姿态数据精度优于单独使用惯性陀螺仪的姿态数据精度；(2)移动载体有转弯运动，且保持上下姿态情况下(无翻滚)和短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星情况，数字式自适应万向组合陀螺仪中的数字化自适应陀螺仪采用2个，对应的优选卫星处理器也采用2个，2个数字化自适应陀螺仪上的2个天线组分别置于移动载体的两侧，2个天线组之间成110～130°夹角，可克服移动载体有转弯运动时移动载体遮挡导航卫星和短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的问题；(3)移动载体有转弯和翻滚运动情况下，数字式自适应万向组合陀螺仪中的数字化自适应陀螺仪采用3个，对应的优选卫星处理器也采用3个，3个数字化自适应陀螺仪上的3个天线组分别置于移动载体的上面和两侧下部，3个天线组之间成110～130°夹角，可克服移动载体有转弯及翻滚运动时移动载体遮挡导航卫星和短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的问题。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果为：1、本发明将数字化自适应陀螺仪和惯性陀螺仪组合成为数字式自适应万向组合陀螺仪，充分发挥各自的优点，缺点互补，具有给出姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)精度较高、不受载体转弯和翻滚的遮挡导航卫星影响、无零点漂移、自适应水平坐标系或其他一些坐标系、在导航卫星受障碍物(山地高山或建筑物)遮挡时使用惯性陀螺仪的姿态角精度比单用惯性陀螺仪高的姿态角精度高的优点；2、本发明装置中的数字化自适应陀螺仪在不遮挡导航卫星时不断校准惯性陀螺仪的输出数据，消除零点漂移误差，当障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时使用惯性陀螺仪的输出数据，优于单独使用惯性陀螺仪的姿态角测量精度；3、本发明数字式自适应万向组合陀螺仪可广泛应用于弹道飞行器(含母舱)发射和机动高精度控制，轨道飞行器发射、运行、机动、变轨高精度控制，高超声速飞行器纵深大机动的高精度控制，空气动力飞行器和未来无人飞机的长航时飞行高精度控制，地面车辆和海面船只的长时间运行和航行的高精度控制等领域，而不降低姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)测量精度。

附图说明

图1为本发明数字式自适应万向组合陀螺仪的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，一种数字式自适应万向组合陀螺仪由1～3个数字化自适应陀螺仪1、1～3个优选卫星处理器2(将优选卫星处理器和数字化自适应陀螺仪做为一体或将优选卫星处理器2内置于数字化自适应陀螺仪1中)、优选数字化自适应陀螺仪处理器3、数据融合及卡尔曼滤波器4、惯性陀螺仪5和输出数据控制器6等组成，所述优选卫星处理器2输入/输出端口与对应的数字化自适应陀螺仪1的优选卫星处理器输入/输出端口连接；所述数字化自适应陀螺仪1数据输出端口与所述优选数字化自适应陀螺仪处理器3数据输入端口连接；所述优选数字化自适应陀螺仪处理器3的数据输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器4数据输入端口连接；所述数据融合及卡尔曼滤波器4的数据输出端口与所述输出数据控制器6的数据输入端口连接；所述惯性陀螺仪5的数据输入/输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器4的输入/输出端口连接；所述惯性陀螺仪5的数据输出端口与所述输出数据控制器6的接收惯性陀螺仪数据输入端口连接。

下面分别对采用1至3个数字化自适应陀螺仪的数字式自适应万向组合陀螺仪进行说明：

1型数字式自适应万向组合陀螺仪：用于移动载体短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的情况和不出现移动载体遮挡导航卫星的情况。1型数字式自适应万向组合陀螺仪由一个数字化自适应陀螺仪1、一个优选卫星处理器2、一个惯性陀螺仪5、数据融合及卡尔曼滤波器4和输出数据控制器6等组成。数字化自适应陀螺仪1的三个小天线架设在移动载体上不遮挡导航卫星的位置。优选卫星处理器2的作用是在三个小天线共同接收到的导航卫星中优选出姿态角测量精度较高的暂时不进入地平线以下的和信杂比较高的几组导航卫星(每组3颗导航卫星)排队使用。数据融合及卡尔曼滤波器4的作用是几组导航卫星计算的姿态角数据进行数据融合及卡尔曼滤波，以提高姿态角数据的精度。输出数据控制器6的作用是在无障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选数字化自适应陀螺仪1的数据输出；在有障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选惯性陀螺仪5的数据输出。

2型数字式自适应万向组合陀螺仪：用于移动载体有转弯(无翻滚)运动，且保持上下姿态，移动载体有可能遮挡导航卫星和短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的情况。2型数字式自适应万向组合陀螺仪由两个数字化自适应陀螺仪1、两个优选卫星处理器2、一个惯性陀螺仪5、优选数字化自适应陀螺仪处理器3、数据融合及卡尔曼滤波器4和输出数据控制器6等组成。两个数字化自适应陀螺仪1的两个天线组分别架设在移动载体的两侧面，在横断面内偏上，两个天线组之间成110～130°夹角。天线的波束宽度约120～150°，几乎覆盖上半球。优选数字化自适应陀螺仪处理器3的作用是根据移动载体的运动方向和导航卫星的分布情况优选那一个数字化自适应陀螺仪1输出数据。优选卫星处理器2、数据融合及卡尔曼滤波器4、惯性陀螺仪5和输出数据控制器6等的作用同1型数字式自适应万向组合陀螺仪。当出现障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选惯性陀螺仪5的数据输出。

3型数字式自适应万向组合陀螺仪：用于移动载体有转弯和翻滚运动，移动载体可能遮挡导航卫星和短时间处于障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星的情况。3型数字式自适应万向组合陀螺仪由三个数字化自适应陀螺仪1、三个优选卫星处理器2、一个惯性陀螺仪5、优选数字化自适应陀螺仪处理器3、数据融合及卡尔曼滤波器4和输出数据控制器6等组成。三个天线组分别架设在移动载体的上面和两侧偏下，在横断面内，三个天线组之间成110～130°夹角。天线的波束宽度约120～150°，几乎覆盖上半球和下半球。不论移动载体转弯和翻滚到任何方向都能接收到足够多的导航卫星的信号和数据。优选数字化自适应陀螺仪处理器3可在三个数字化自适应陀螺仪1中优选1～3个数字化自适应陀螺仪1的姿态角数据送入数据融合及卡尔曼滤波器4。优选卫星处理器2、数据融合及卡尔曼滤波器4、惯性陀螺仪5和输出数据控制器6等的作用同1型数字式自适应万向组合陀螺仪。当出现障碍物(山地或建筑物)遮挡导航卫星时优选惯性陀螺仪5的数据输出。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下作出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。

Claims (7)

1.一种数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在于它包括1～3个数字化自适应陀螺仪(1)、1～3个优选卫星处理器(2)、优选数字化自适应陀螺仪处理器(3)、数据融合及卡尔曼滤波器(4)、惯性陀螺仪(5)和输出数据控制器(6)，所述优选卫星处理器(2)输入/输出端口与对应的数字化自适应陀螺仪(1)的优选卫星处理器输入/输出端口连接；所述数字化自适应陀螺仪(1)数据输出端口与所述优选数字化自适应陀螺仪处理器(3)数据输入端口连接；所述优选数字化自适应陀螺仪处理器(3)的数据输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器(4)数据输入端口连接；所述数据融合及卡尔曼滤波器(4)的数据输出端口与所述输出数据控制器(6)的数据输入端口连接；所述惯性陀螺仪(5)的数据输入/输出端口与所述数据融合及卡尔曼滤波器(4)的输入/输出端口连接；所述惯性陀螺仪(5)的数据输出端口与所述输出数据控制器(6)的接收惯性陀螺仪数据输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在：所述数字化自适应陀螺仪(1)上包括由三个天线组成的天线组、三个导航卫星多通道接收机和定位及姿态角处理器。

3.根据权利要求1或2所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在于：所述数字化自适应陀螺仪(1)和优选卫星处理器(2)为分体设置。

4.根据权利要求1或2所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在于：所述优选卫星处理器(2)内置于数字化自适应陀螺仪(1)中。

5.根据权利要求2所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在：所述数字化自适应陀螺仪(1)为1个，所述优选卫星处理器(2)也为1个。

6.根据权利要求2所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在：所述数字化自适应陀螺仪(1)为2个，所述优选卫星处理器(2)也为2个；2个数字化自适应陀螺仪(1)上的2个天线组分别置于移动载体的两侧，2个天线组之间成110～130°夹角。

7.根据权利要求2所述的数字式自适应万向组合陀螺仪，其特征在：所述数字化自适应陀螺仪(1)为3个，所述优选卫星处理器(2)也为3个；3个数字化自适应陀螺仪(1)上的3个天线组分别置于移动载体的上面和两侧下部，3个天线组之间成110～130°夹角。

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