CN103134521A - 一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法。本发明是利用平台惯导方位陀螺可实现力矩闭锁的特点，通过平台转位及传统水平对准，实现平台惯导任意方位失准角下的快速初始对准。该发明可用于静基座及准静基座条件下任意方位失准角的平台惯导初始对准中，该发明加快了系统的对准时间，消除了东向陀螺漂移对系统方位对准的影响，提高了系统的对准精度，具有一定的实际意义。

Description

一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法

技术领域

本发明涉及的是一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法。

背景技术

初始对准技术是导航的关键技术，对准时间和对准精度是初始对准的重要指标。对准的时间决定系统的反应能力，对准的精度决定系统的导航精度。传统平台惯导初始对准技术是利用罗经原理进行水平和方位对准的，采用传统技术进行对准时，首先必须进行水平和方位粗对准，保证小角度的前提，然后才能进行精对准；精对准进行时，由于方位失准角的收敛速度过慢，且方位失准角的对准精度受东向陀螺漂移的影响，因此对准时间较长、对准精度不高。

本发明解决的是平台惯导对准的快速性及准确性问题。目前，哈尔滨工程大学的任宏文也进行了相关方面的研究，任宏文在《中国惯性技术学报》上发表的文章《一种平台惯导快速对准方法》中，提出了一种提高平台惯导对准时间及对准精度的方法，该方法需要在现有平台惯导设备的基础上，另外配套相应的力反馈回路，使所有的陀螺均可工作在力矩反馈状态，该方法的原理是根据平台惯导调平后在不同方位下的陀螺力矩平衡关系，计算平台的方位失准角，实现平台惯导的快速初始对准。该方法可加快系统的对准时间，且消除东向陀螺漂移对方位失准角的影响，从而提高对准精度，但需要额外配套力反馈回路，较为复杂。

本发明采用的是一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法。采用该方法进行对准时无需进行方位粗对准，无需添加额外设施。本发明是利用平台惯导方位陀螺可实现力矩闭锁的特点，通过平台转位及传统水平对准，实现平台惯导任意方位失准角下的快速初始对准。该发明可用于静基座及准静基座条件下任意方位失准角的平台惯导初始对准中，该发明加快了系统的对准时间，消除了东向陀螺漂移对系统方位对准的影响，提高了系统的对准精度，具有一定的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法,解决平台惯导对准的快速性及准确性问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法，利用平台惯导方位陀螺可实现力矩闭锁的特点，通过平台转位及传统水平对准，实现平台惯导任意失准角下的快速初始对准，其步骤包括：

（1）将设备安装在载体上，载体处于静止状态；

（2）启动设备，平台惯导进行水平粗对，方位陀螺处于力矩闭锁状态，即方位轴相对于地球不做转动，此时方位轴所处的位置规定为第一位置（1）；

（3）水平粗对结束后，平台惯导进行传统水平对准；

（4）传统水平对准的参数设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=0.170\\ k_E=k_N=1.31\×{10}^{-3}\\ k_U=3.70\×{10}^{-5}\end{array}\right.$

（5）传统水平对准在第一位置（1）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cχ1、ω_cy1；

（6）运行3min后，令平台方位轴在第一位置（1）基础上旋转120°后到达第二位置（2），继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（7）传统水平对准在第二位置（2）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cχ2、ω_cy2；

（8）运行3min后，令平台方位轴在第二位置（2）基础上旋转120°后到达第三位置（3），继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（9）传统水平对准在第三位置（3）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cχ3、ω_cy3；

（10）利用（5）（7）（9）中的系统控制信息，可计算得到平台方位轴在第一位置（1）时的方位失准角γ₀，根据γ₀的值即可确定系统的北向；方位失准角γ₀计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\\ \cos {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\end{array}\right.$

γ_主＝sin^-1(sinγ₀)

（11）运行3min后，传统水平对准结束，完成系统的初始对准。

从仿真结果可以看出，系统在每个位置水平对准2.5min后均可达到稳定，保证了所得控制信息的准确性，同时还可看出系统水平对准速度很快，由于采用该发明对准时只用到了传统水平对准，因而保证了系统的快速性。

附图说明

图1本发明的流程图。

图21位置方位失准角为0°时的水平对准误差仿真曲线。

图31位置方位失准角为120°时的水平对准误差仿真曲线。

图41位置方位失准角为240°时的水平对准误差仿真曲线。

图5a传统水平对准东向控制方框原理图。

图5b传统水平对准北向控制方框原理图。

图6平台惯导方位轴转位示意图。

其中，图2~图4中的两幅图是一体的，代表对准中的水平对准误差（决定系统提供的基准是否水平）。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

（1）将设备（平台惯性导航设备）安装在载体上，载体（需要进行导航的物体，例如船、车辆、导弹）处于静止状态；

（2）启动设备，平台惯导进行水平粗对，方位陀螺处于力矩闭锁状态（即方位轴相对于地球不做转动），此时方位轴所处的位置规定为第一位置1；

（3）水平粗对结束后，平台惯导进行传统水平对准；

（4）传统水平对准的参数设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=0.170\\ k_E=k_N=1.31\×{10}^{-3}\\ k_U=3.70\×{10}^{-5}\end{array}\right.$

其中，k₁、K_E、K_N、K_N为控制系统进行水平对准的控制参数，参见附图5a、5b。

（5）传统水平对准在第一位置1运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx1、ω_cy1；

（6）运行3min后，令平台方位轴在第一位置1基础上旋转120°后到达第二位置2，继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（7）传统水平对准在第二位置2运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx2、ω_cy2；

（8）运行3min后，令平台方位轴在第二位置2基础上旋转120°后到达第三位置3，继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（9）传统水平对准在第三位置3运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx3、ω_cy3；

（10）利用（5）（7）（9）中的系统控制信息，可计算得到平台方位轴在第一位置1时的方位失准角γ₀，根据γ₀的值即可确定系统的北向。方位失准角γ₀计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\\ \cos {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\end{array}\right.$

γ_主＝sin^-1(sinγ₀)

其中Ω为地球自转角速度，

为当地纬度。

（11）运行3min后，传统水平对准结束，完成系统的初始对准。

步骤（3）中，传统水平对准是通过给东向和北向陀螺施加控制量ω_cx、ω_cy实现的，结合图5说明获取控制量ω_cx、ω_cy的过程。

步骤（3a），解微分方程计算等效速度V_x、V_y；

其计算方法采用一阶递推法，第n+1点时刻的V_x和V_y计算过程如下：

V_x(n+1)＝[f_y-k₁V_x(n)]T+V_x(n)

V_y(n+1)＝[f_x-k₁V_y(n)]T+V_y(n)

其中，f_x、f_y分别为东向和北向加速度计测得的比力信息，T为递推过程中的计算周期，V_x、V_y初始时刻为零。

步骤（3b），使用步骤（3a）中计算所得的V_x和V_y，进一步计算控制量ω_cx、ω_cy。

其计算方法采用一阶递推法，第n+1点时刻的ω_cχ、ω_cy计算过程如下：

ω_cx(n+1)＝k_NV_x(n+1)+k_UT·V_x(n)

根据步骤（3a）(3b)可求得每个控制时刻系统的控制量ω_cx、ω_cy。

步骤（5）（7）（9）中，所取的控制数据为图5中所示的施加给陀螺的控制量ω_cx、ω_cy；

平滑处理获取ω_cx1、ω_cx2、ω_cx3、ω_cy1、ω_cy2、ω_cy3的方法为（以ω_cx1、ω_cy1的获取为例）：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}1}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}}\left(i\right),$ ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}1}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}}\left(i\right)$

其中，n为30s内获取控制量ω_cx、ω_cy的总个数，ω_cx(i)、ω_cy(i)为获取的第i个ω_cx、ω_cy。

参考图6，步骤（2）（6）（8）中，平台方位轴转位及所处的三个位置，平台第一次处于力矩闭锁状态时的位置，规定为第一位置1，此时平台方位轴不做转动，其相对地球北向N有固定偏角，即方位失准角γ₀；在第一位置1对准一段时间后，平台方位轴旋转120°到达的位置规定为第二位置2；在第二位置2对准一段时间后，平台方位轴旋转120°到达的位置规定为第三位置3。

本发明的有益效果通过如下方法得以验证：

matlab仿真实验，在以下条件下进行仿真：

设载体所处位置为λ＝126.6705°，

平台惯导三轴陀螺漂移为0.01°/h；三轴加速度计零偏为10^-4g；水平初始误差角为0.1°；平台每次转位所需时间为30s；系统的水平对准参数设置为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=0.170\\ k_E{=k}_N=1.31\×{10}^{-3}.\\ k_U=3.70\×{10}^{-5}\end{array}\right.$

分别在第一位置1方位失准角为0°、120°、240°时，按照发明中所描述的快速对准方法进行初始对准。

仿真试验结果：第一位置1方位失准角为0°时的γ₀计算值为359.98763°，与真实值的差值为0.01237°；第二位置1方位失准角为120°时的γ₀计算值为119.97461°，与真实值的差值为0.02539°；第一位置1方位失准角为240°时的γ₀计算值为240.00943°，与真实值的差值为0.00943°；三次方位对准的平均误差为0.01573°，优于传统对准方法的极限精度ε_x为东向陀螺漂移，表明该发明可保证系统的准确性。图2~4分别为第一位置1方位失准角为0°、120°、240°时的水平对准误差曲线，从图2~4可以看出，系统在每个位置水平对准2.5min后均可达到稳定，保证了所得控制信息的准确性，同时还可看出系统水平对准速度很快，由于采用该发明对准时只用到了传统水平对准，因而保证了系统的快速性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种平台惯导任意方位失准角下的快速对准方法，其特征是：利用平台惯导方位陀螺可实现力矩闭锁的特点，通过平台转位及传统水平对准，实现平台惯导任意失准角下的快速初始对准，其步骤包括：

（1）将设备安装在载体上，载体处于静止状态；

（2）启动设备，平台惯导进行水平粗对，方位陀螺处于力矩闭锁状态，即方位轴相对于地球不做转动，此时方位轴所处的位置规定为第一位置（1）；

（3）水平粗对结束后，平台惯导进行传统水平对准；

（4）传统水平对准的参数设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=0.170\\ k_E=k_N=1.31\×{10}^{-3}\\ k_U=3.70\×{10}^{-5}\end{array}\right.$

（5）传统水平对准在第一位置（1）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx1、ω_cx1；

（6）运行3min后，令平台方位轴在第一位置（1）基础上旋转120°后到达第二位置（2），继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（7）传统水平对准在第二位置（2）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx2、ω_cy2；

（8）运行3min后，令平台方位轴在第二位置（2）基础上旋转120°后到达第三位置（3），继续使方位陀螺处于力矩闭锁状态；

（9）传统水平对准在第三位置（3）运行2.5min后系统稳定，取后续30s的控制数据进行平滑处理得系统的控制信息ω_cx3、ω_cy3；

（10）利用（5）（7）（9）中的系统控制信息，可计算得到平台方位轴在第一位置（1）时的方位失准角γ₀，根据γ₀的值即可确定系统的北向；方位失准角γ₀计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\\ \cos {\mathrm{\γ}}_0=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}1}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}3}}{{3\mathrm{\ω}}_y}\end{array}\right.$

γ_主＝sin^-1(sinγ₀)

（11）运行3min后，传统水平对准结束，完成系统的初始对准。

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