CN102207386A - 基于方位效应误差补偿的寻北方法 - Google Patents

Abstract

一种基于方位效应误差补偿的寻北方法，先将光纤陀螺和加速度计安装于含有测角系统的转台，再将转台安装在载体上，步骤如下：步骤1：定义地理坐标系、载体坐标、方位角H和倾斜角θ、γ，步骤2：安装光纤陀螺和加速度计于载体上，步骤3：将当前位置记为位置1，并依次将转台顺时针转动90°，记为位置2、3、4，采集这四个位置下的光纤陀螺和加速度计的30s输出值并计算均值，进而计算出当前的纵摇角θ、横摇角γ和粗方位角H₁，步骤4：若|H₁|≤1°或|H₁-180°|≤1°，则实际方位角即为H₁；否则，控制转台顺时针转动(90°-H₁)，重复步骤3，计算出当前的精方位角H₂，再以(H₁+H₂)作为寻北的实际方位角。

Description

基于方位效应误差补偿的寻北方法

技术领域

本发明涉及载体的航向、姿态的测量与定位技术，尤其涉及在没有外部辅助信息的情况下，针对方位效应误差利用惯性传感器(光纤陀螺和加速度计)进行自主补偿和导航的寻北方法，属于导航、制导技术领域。

背景技术

随着惯性导航技术的发展，陀螺寻北仪在军事和民用定向中得到了日渐广泛的应用。光纤陀螺是基于Sagnac效应的无机械转动部件的新型全固态陀螺仪，具有耐冲击、灵敏度高、寿命长、功耗低、集成可靠等优点。光纤陀螺寻北仪利用光纤陀螺测得的地球自转角速度分量值和加速度计测得的载体倾斜角度，经过解算可确定载体方位角，即载体的参考轴向与正北方向的夹角。

目前国内外的陀螺仪寻北方法主要有二位置法，四位置法、多位置法和连续转动法。二位置法和四位置法分别通过采样相隔180°的两位置和相隔90°的四位置上的传感器输出以相互抵消陀螺和加速度计的常值漂移，由于采样位置少，光纤陀螺随机漂移影响的概率较小；多位置法通过在360°范围内进行多位置采样，然后采用最小二乘法进行方差拟合，从而求出方位角；连续转动法是指在寻北过程中，通过连续均匀转动转台，对陀螺信号进行周期调制以减小光纤陀螺低频随机漂移误差的影响，采样光纤陀螺和加速度计的输出信号并从中辨识出初始方位角。然而在实际寻北过程中，当初始方位角为某些特殊值时(如东西方向)，由于陀螺输出中的真值远小于输出噪声，使得陀螺输出进入不敏感区，造成寻北精度下降。现有的技术为借助一只真北棱镜、两台经纬仪和一台机械分度转台对多位置捷联寻北系统方位效应进行曲线拟合标定，以消除方位效应引起的测量误差。可见，现有技术所借助的专业仪器较多，花费时间较长，不能实现实时标定补偿，且标定后方位效应误差为一定值，不能随环境的变化而改变。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于方位效应误差补偿的寻北方法，该方法可实时在线对方位效应进行补偿。

本发明采用如下技术方案：

一种基于方位效应误差补偿的寻北方法，先将光纤陀螺和加速度计安装于含有测角系统的转台，再将转台安装在载体上，步骤如下：

步骤1：以东北天坐标系为地理坐标系，以载体重心为载体坐标系原点o，以载体前方为y轴，以载体右方为x轴，以垂直向上为z轴，定义方位角为载体坐标系y轴正向与正北方向的夹角H，顺时针为正；定义倾斜角分别为载体坐标系相对于地理坐标系的纵摇角θ和横摇角γ；地理坐标系经转动H、θ和γ后与载体坐标系重合，

步骤2：载体上的光纤陀螺的敏感轴与载体坐标系x轴重合，载体上的加速度计的敏感轴与载体坐标系y轴重合，

步骤3.1：以当前位置作为初始位置，

步骤3.2：将初始位置记为位置1，持续采集位置1的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置1下的光纤陀螺的30s输出均值ω₁和加速度计的30s输出均值g_y1；将转台顺时针转动90°并记为位置2，持续采集位置2的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置2下的光纤陀螺的30s输出均值ω₂和加速度计的30s输出均值g_y2；继续将转台顺时针转动90°并记为位置3，持续采集位置3的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置3下的光纤陀螺的30s输出均值ω₃和加速度计的30s输出均值g_y3；再将转台顺时针转动90°并记为位置4，持续采集位置4的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置4下的光纤陀螺的30s输出均值ω₄和加速度计的30s输出均值g_y4，

步骤3.3：计算当前的纵摇角θ、横摇角γ和方位角H，

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{g_{y1}-g_{y3}}{2g}---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\arcsin \frac{g_{y4}-g_{y2}}{2g}---\left(2\right)$

$H=\arctan \frac{\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}-A\cos \mathrm{\θ}}{A\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

其中：

g为当地的重力加速度值，g＝9.8m/s²，

A为中间量， $A=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_4+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}},$

ω_e为地球自转角速度，ω_e＝15°/h，

φ为当地的地理纬度，

步骤3.4：以步骤3.3得到的当前方位角H为粗方位角H₁，

步骤4：若|H₁|≤1°或|H₁-180°|≤1°，则实际方位角即为H₁；否则，控制转台顺时针转动(90°-H₁)，重复步骤3.1至3.3，并将得到的当前方位角H作为精方位角H₂，再以(H₁+H₂)作为寻北的实际方位角。

本发明的优点及有益效果：无需借助额外的仪器与工具，利用寻北仪自身的传感器与转台，在粗寻北的基础上将光纤陀螺和加速度计转至方位效应误差最小的位置上进行精寻北，以实现方位效应误差的在线补偿，并且能实时计算载体的倾斜角，补偿值随环境的变化而变化，具有便捷性、自主性、实时性、准确性等优点。

附图说明

图1为本发明设备连接及工作原理图；

图2为本发明转台俯视示意图；

图3为本发明技术流程图。

具体实施方式

一种基于方位效应误差补偿的寻北方法，先将光纤陀螺1和加速度计2安装于含有测角系统的转台，再将转台安装在载体上，步骤如下：

步骤1：以东北天坐标系为地理坐标系，以载体重心为载体坐标系原点o，以载体前方为y轴，以载体右方为x轴，以垂直向上为z轴，定义方位角为载体坐标系y轴正向与正北方向的夹角H，顺时针为正；定义倾斜角分别为载体坐标系相对于地理坐标系的纵摇角θ和横摇角γ；地理坐标系经转动H、θ和γ后与载体坐标系重合，

步骤2：载体上的光纤陀螺的敏感轴与载体坐标系x轴重合，载体上的加速度计的敏感轴与载体坐标系y轴重合，

步骤3.1：以当前位置作为初始位置，

步骤3.2：将初始位置记为位置1，持续采集位置1的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置1下的光纤陀螺的30s输出均值ω₁和加速度计的30s输出均值g_y1；将转台顺时针转动90°并记为位置2，持续采集位置2的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置2下的光纤陀螺的30s输出均值ω₂和加速度计的30s输出均值g_y2；继续将转台顺时针转动90°并记为位置3，持续采集位置3的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置3下的光纤陀螺的30s输出均值ω₃和加速度计的30s输出均值g_y3；再将转台顺时针转动90°并记为位置4，持续采集位置4的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置4下的光纤陀螺的30s输出均值ω₄和加速度计的30s输出均值g_y4，

步骤3.3：计算当前的纵摇角θ、横摇角γ和方位角H，

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{g_{y1}-g_{y3}}{2g}---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\arcsin \frac{g_{y4}-g_{y2}}{2g}---\left(2\right)$

$H=\arctan \frac{\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}-A\cos \mathrm{\θ}}{A\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

其中：

g为当地的重力加速度值，g＝9.8m/s²，

A为中间量， $A=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_4+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}},$

ω_e为地球自转角速度，ω_e＝15°/h，

φ为当地的地理纬度，

步骤3.4：以步骤3.3得到的当前方位角H为粗方位角H₁，

步骤4：若|H₁|≤1°或|H₁-180°|≤1°，则实际方位角即为H₁；否则，控制转台顺时针转动(90°-H₁)，重复步骤3.1至3.3，并将得到的当前方位角H作为精方位角H₂，再以(H₁+H₂)作为寻北的实际方位角。在本实施例中，

所述的陀螺为光纤陀螺，所述的加速度计为石英加速度计或硅微加速度计。

所述的转台为含有测角系统的可精确转至指定任一位置的单轴机械转台。

下面结合附图对本发明工作原理及实施方式作进一步说明：

本实施例陀螺选择光纤陀螺，加速度计选择石英加速度计，转台选择包含有测角系统的单轴机械转台。

图1为本发明设备连接及工作原理图。标号说明：1.光纤陀螺，2.加速度计。将光纤陀螺和加速度计正交安装于转台平面上，使其敏感轴与转台平面平行，且分别与载体坐标系的横轴与纵轴重合。DSP电路单元读入测角系统测得的转台转动的角度，反馈控制转台转动，采集光纤陀螺和加速度计的输出，并进行方位角和倾斜角的解算，最终将解算结果输出至显示屏上。

图2为本发明转台俯视示意图。标号说明：1.加速度计，2.光纤陀螺，3.加速度计的敏感轴，4.光纤陀螺的敏感轴，I.步骤3.2中的位置1，II.步骤3.2中的位置2，III.步骤3.2中的位置3，IV.步骤3.2中的位置4，V.步骤4中的位置1，VI.步骤4中的位置2，VII.步骤4中的位置3，VIII.步骤4中的位置4，E.东向，W.西向，S.南向，N.北向，H.实际方位角，H₁.粗寻北方位角，H₂.精寻北方位角。将光纤陀螺和加速度计正交安装于转台平面上，使其敏感轴与转台平面平行，且分别与载体坐标系的横轴与纵轴重合，定义方位角H为载体坐标系纵轴正向与正北方向的夹角，顺时针为正。设初始位置为位置1，粗寻北过程中转台需转至相邻90°的三个位置，分别记为位置2，3和4，解算出粗寻北方位角记为H₁。精寻北过程中，转台需先由位置4顺时针转动(90°-H₁)，作为精寻北的初始位置，再转至相邻90°的三个位置，解算出精寻北方位角H₂，则实际方位角H＝H₁+H₂。

图3为本发明技术流程图。

(1)选定地理坐标系为东北天坐标系，选定载体坐标系沿载体的右前上；定义方位角为载体坐标系y轴正向与正北方向的夹角H，顺时针为正；定义倾斜角分别为载体坐标系相对于地理坐标系的纵摇角θ和横摇角γ；载体坐标系可看作地理坐标系经3次转动H、θ和γ后所得。

(2)安装光纤陀螺于转台上使其敏感轴与载体坐标系x轴重合，安装加速度计于转台上使其敏感轴与载体坐标系y轴重合。

(3)将当前位置记为位置1，待传感器输出平稳后，采集30s陀螺和加速度计输出数据。

(4)控制转台顺时针精确转动90°，记为位置2，待传感器输出平稳后，采集30s陀螺和加速度计输出数据。

(5)重复步骤(4)两次，分别记为位置3和位置4。

(6)计算四个位置的陀螺和加速度计输出值的均值，进行粗寻北解算，根据公式(1)～(3)计算出倾斜角θ、γ和粗方位角H₁。

(7)若|H₁|≤1°或|H₁-180°|≤1°，则实际方位角H＝H₁；否则，进入精寻北阶段：控制转台顺时针精确转动(90°-H₁)，使得转动后的方位角在正北附近，即使加速度计的敏感轴在正北附近，陀螺的敏感轴在东西附近，重复步骤(3)至(5)，根据计算得出的四个位置的陀螺和加速度计输出均值，进行精寻北解算，根据公式(3)计算出精方位角H₂，则实际方位角H＝H₁+H₂。

Claims (3)

1.一种基于方位效应误差补偿的寻北方法，先将光纤陀螺(1)和加速度计(2)安装于含有测角系统的转台，再将转台安装在载体上，其特征在于，步骤如下：

步骤1：以东北天坐标系为地理坐标系，以载体重心为载体坐标系原点o，以载体前方为y轴，以载体右方为x轴，以垂直向上为z轴，定义方位角为载体坐标系y轴正向与正北方向的夹角H，顺时针为正；定义倾斜角分别为载体坐标系相对于地理坐标系的纵摇角θ和横摇角γ；地理坐标系经转动H、θ和γ后与载体坐标系重合，

步骤2：载体上的光纤陀螺的敏感轴与载体坐标系x轴重合，载体上的加速度计的敏感轴与载体坐标系y轴重合，

步骤3.1：以当前位置作为初始位置，

步骤3.2：将初始位置记为位置1，持续采集位置1的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置1下的光纤陀螺的30s输出均值ω₁和加速度计的30s输出均值g_y1；将转台顺时针转动90°并记为位置2，持续采集位置2的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置2下的光纤陀螺的30s输出均值ω₂和加速度计的30s输出均值g_y2；继续将转台顺时针转动90°并记为位置3，持续采集位置3的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置3下的光纤陀螺的30s输出均值ω₃和加速度计的30s输出均值g_y3；再将转台顺时针转动90°并记为位置4，持续采集位置4的光纤陀螺和加速度计的输出，持续采集时间为30s，并计算出位置4下的光纤陀螺的30s输出均值ω₄和加速度计的30s输出均值g_y4，

步骤3.3：计算当前的纵摇角θ、横摇角γ和方位角H，

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{g_{y1}-g_{y3}}{2g}---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\arcsin \frac{g_{y4}-g_{y2}}{2g}---\left(2\right)$

$H=\arctan \frac{\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}-A\cos \mathrm{\θ}}{A\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

其中：

g为当地的重力加速度值，g＝9.8m/s²，

A为中间量， $A=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_4+2{\mathrm{\ω}}_e\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ}},$

ω_e为地球自转角速度，ω_e＝15°/h，

φ为当地的地理纬度，

步骤3.4：以步骤3.3得到的当前方位角H为粗方位角H₁，

步骤4：若|H₁|≤1°或|H₁-180°|≤1°，则实际方位角即为H₁；否则，控制转台顺时针转动(90°-H₁)，重复步骤3.1至3.3，并将得到的当前方位角H作为精方位角H₂，再以(H₁+H₂)作为寻北的实际方位角。

2.根据权利1所述的基于方位效应误差补偿的寻北方法，其特征在于所述的陀螺为光纤陀螺，所述的加速度计为石英加速度计或硅微加速度计。

3.根据权利1所述的基于方位效应误差补偿的寻北方法，其特征在于所述的转台为含有测角系统的可精确转至指定任一位置的单轴机械转台。

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