CN103278160B - 一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，包括：步骤一,检测陀螺的加速度信号；步骤二，采集加速度信号并转化后输出到解算器；步骤三，检测旋变读角ψ_xb、俯仰角θ和横滚角γ；步骤四，采集三个角度信号并转化后输出到解算器；步骤五，解算器根据输入的信号进行解算后输入数字信号到DA补偿器Ⅱ；步骤六，DA补偿器Ⅱ产生驱动水平电机的电流，纵摇环旋转俯仰角；步骤七，解算器根据输入的信号进行解算后输入数字信号到DA补偿器Ⅰ；步骤八，DA补偿器Ⅰ产生驱动方位电机的电流，方位环旋转方位角，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向。采用该方法及应用该方法的平台系统，减小了体积，降低了成本，提高了维修性。

Description

一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法

技术领域

本发明涉及平台式惯性导航系统方位保持方法，具体涉及一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法。

背景技术

现有的平台式惯性导航系统主要有三只环体或者两只环体两种结构，无论采用哪种结构式，都要采用3只挠性陀螺、3只加速度计或者2只挠性陀螺、2只加速度计，组成跟踪地理坐标系的平台系统，利用陀螺的进动性，对陀螺进行施距控制，使陀螺的旋转轴的轴线始终保持在当地地理坐标系O-XoYoZo的OXoYo水平面，同时使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向，这种系统存在平台框架结构大、成本高、维修性差的缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是采用一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，以解决平台框架结构大，成本高，维修性差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，在该方法中采用惯性方位保持系统，该惯性方位保持系统包括一个方位环、一个纵摇环、解算器、DA补偿器Ⅰ、DA补偿器Ⅱ、水平电机、方位电机、子系统Ⅰ和子系统Ⅱ；

子系统Ⅰ包括一只陀螺、一只加速度计和AD采集器Ⅰ；

子系统Ⅱ包括角度采集器和固定在载体上的角度传感器组件，角度传感器组件包括旋转变压器、加表传感器和倾角传感器；

该方法包括如下步骤：

步骤一,加速度计检测陀螺的加速度信号并输出；

步骤二，AD采集器Ⅰ采集步骤一的加速度信号并转化后输出数字信号Ⅰ到解算器；

步骤三，旋转变压器检测载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的旋变读角ψ_xb并输出，加表传感器检测载体纵轴与纵向水平轴之间的俯仰角θ并输出，倾角传感器检测载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的横滚角γ并输出；

步骤四，角度采集器采集步骤三输出的旋变读角ψ_xb、俯仰角θ和横滚角γ的三个角度信号并分别转化，然后将转换后的数字信号Ⅱ输入解算器；

步骤五，解算器根据输入的数字信号Ⅰ和数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅲ到DA补偿器Ⅱ；

步骤六，DA补偿器Ⅱ根据输入的数字信号Ⅲ产生驱动水平电机的电流，水平电机驱动纵摇环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终保持在当地地理坐标系O-X_oY_oZ_o的OXoYo水平面；

步骤七，解算器根据输入的数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ；

步骤八，DA补偿器Ⅰ根据输入的数字信号Ⅳ产生驱动方位电机的电流，方位电机驱动方位环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向。

作为本发明的一种优选方案，上述骤七中，解算器按照下式进行解算得到方位角ψ，然后输入相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ：

$\mathrm{\ψ}=a\tan \left[(\tan \left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\right)+\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\right))\frac{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}\right]$

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、减少了传感器数量：陀螺由两只减为一只，加速度计由两只减为一只，降低了成本；

2、减少了平台的环体：原来为三环设计：方位环、纵摇环和横摇环，现在为两环设计：方位环和纵摇环，降低成本，减小了体积，减少了加工时间和装配时间；

3、由于减少了传感器数量，通过误差补偿的办法，不需要进行水平陀螺的控制，减少了控制所需的硬件，简化了结构设计和硬件设计；

4、整个系统便于维修。

附图说明

图1是一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法的流程图；

图2是一种惯性方位保持系统结构示意图；

图3是导航坐标系；

图4是旋变角度与方位角不一致的坐标示意图。

具体实施方式

图1是本发明的一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法的流程图，在该方法中采用惯性方位保持系统，该惯性方位保持系统如图2所示，包括一个方位环3、一个纵摇环7、解算器11、DA补偿器Ⅰ10、DA补偿器Ⅱ6、水平电机5、方位电机9、子系统Ⅰ、子系统Ⅱ；

子系统Ⅰ包括一只陀螺4、一只加速度计2、AD采集器Ⅰ12；

子系统Ⅱ包括角度采集器13和固定在载体上的角度传感器组件1，角度传感器组件1包括旋转变压器、加表传感器和倾角传感器；

该方法包括如下步骤：

步骤一,加速度计检测陀螺的加速度信号并输出；

步骤二，AD采集器Ⅰ采集步骤一的加速度信号并转化后输出数字信号Ⅰ到解算器；

步骤三，旋转变压器检测载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的旋变读角ψ_xb并输出，加表传感器检测载体纵轴与纵向水平轴之间的俯仰角θ并输出，倾角传感器检测载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的横滚角γ并输出，其中的载体为飞行器、船舶、车辆、钻探机或钻井机；

步骤四，角度采集器采集步骤三输出的旋变读角ψ_xb、俯仰角θ和横滚角γ的三个角度信号并分别转化，然后将转换后的数字信号Ⅱ输入解算器；

步骤五，解算器根据输入的数字信号Ⅰ和数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅲ到DA补偿器Ⅱ；

步骤六，DA补偿器Ⅱ根据输入的数字信号Ⅲ产生驱动水平电机的电流，水平电机驱动纵摇环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终保持在当地地理坐标系O-X_oY_oZ_o的OXoYo水平面；

步骤七，解算器根据输入的数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ；

步骤八，DA补偿器Ⅰ根据输入的数字信号Ⅳ产生驱动方位电机的电流，方位电机驱动方位环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向。

纵摇环内固定一个平台Ⅰ15，陀螺、加速度计固定在所述平台Ⅰ上。

安装加速度计和陀螺时，要保证加速度计的敏感轴的轴线14与陀螺的旋转轴的轴线8在同一条直线上，该直线与平台Ⅰ的平面平行并且与纵摇环的纵摇轴的轴线垂直相交，以提高系统的定位精度。

方位环的方位轴的轴线16与纵摇环的纵摇轴的轴线17垂直相交，以提高系统的定位精度。

上述惯性方位保持系统，如果不进行方位角的修正，将产生方位角误差，如图3和图4所示,该误差为系统误差，该误差大到足以造成该系统不能实际投入使用，由于存在这样的问题，这也就是为什么至今没有由一只陀螺和一只加速度计组成的双轴系统或者三轴的主要原因。通过误差修正的方式来解决该问题，为此，建立该系统的误差修正公式，其分析和推导过程如下：

建立导航坐标系，如图3所示，地理坐标系：O-XoYoZo，坐标系的原点在载体的质量中心，Xo、Yo、Zo轴分别从原点出发指向东、北和天向，Xo、Yo、Zo轴构成右手坐标系；载体坐标系：O-X_bY_bZ_b，该坐标系与载体固联，坐标的原点在载体的质量中心，X_b轴指向载体运动方向的右侧并垂直于运动方向，Y_b轴指向载体的运动方向，Z_b轴向上，X_b、Y_b、Z_b轴构成右手坐标系；

各角度及正方向定义：

方位角：载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的夹角，用ψ表示，规定以地理北向为起点，偏东为正，定义域为0～360°；

俯仰角：载体纵轴与纵向水平轴之间的夹角，用θ表示，规定以纵向水平轴为起点，抬头为正，低头为负，定义域-90°～+90°；

横滚角：载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的夹角，用γ表示，规定从铅垂面算起，右倾向下为正，左倾向下为负，定义域-180°～+180°；

设角度采集器分别通过旋转变压器、加表传感器和倾角传感器采集到对应的角度为旋变读角ψ_xb、俯仰角θ、横滚角γ。

导航坐标系按以下次序旋转，如图3和图4所示：

没有误差的方位角为ψ，而旋转变压器输出旋变读角ψ_xb，但其固定载体上不会随着陀螺调平而调平，那么在载体倾斜、横滚的时候，旋变读角ψ_xb和方位角ψ不一致，直接用旋变读角ψ_xb代替方位角就出现了方位角误差，这就是产生方位角误差的直接原因。

导航的旋转矩阵：

$C_0^1=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& -\sin \mathrm{\ψ}& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]C_1^2=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]C_2^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& 0& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}{C}_0^b=C_2^b{C}_1^2{C}_0^1\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}---\left(2\right)$

假设：有误差的俯仰角为θ′、有误差的横滚角为γ′，0刻度线为惯性方位保持系统原始基线，0刻度线与载体运动方向一致；将O-X_bY_bZ_b反转回到O-X₀Y₀Z₀，按照反转法原理，采用ψ_xb，θ′，γ′来构造旋转矩阵，三次旋转的过程为：

(a)O-X_bY_bZ_b绕Z_b转-ψ_xb，使Y_b与旋变0刻度线重合，变为O-X₁Y₁Z₁；

(b)O-X₁Y₁Z₁绕X₁转-θ′，使Y₁与Y_n轴重合，变为O-X₂Y₂Z₂；

(c)O-X₂Y₂Z₂绕Y₂转-γ′，使坐标系完全变为O-X₀Y₀Z₀；

旋转矩阵分别为：

$C_{\mathrm{zbb}}^1=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]C_{\mathrm{zb}1}^2=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ 0& \sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]C_{\mathrm{zb}2}^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\γ}}^{\′}& 0& -\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\γ}}^{\′}& 0& \cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{zb}0}^b={\left(C_{\mathrm{zb}2}^0{C}_{\mathrm{zb}1}^2{C}_{\mathrm{zbb}}^1\right)}^T\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}-\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& -\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}& -\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}-\cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\\ \cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}+\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}& -\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}+\cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\\ \sin {\mathrm{\γ}}^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\γ}}^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]\end{array}---\left(4\right)$

由于：

$C_0^b=C_{\mathrm{zb}0}^b---\left(5\right)$

其中ψ_xb，θ和γ(其为加表传感器和倾角传感器测量得)已知，ψ，θ′，γ′未知，可以求得：

$\tan \left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\right)=\tan \left(\mathrm{\ψ}\right)\frac{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}-\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(6\right)$

由此可知，方位角ψ是ψ_xb、θ、γ的函数：

ψ＝f(ψ_xb,θ,γ)(7)

具体地，方位角ψ是ψ_xb、θ、γ的反正切函数：

ψ＝atan(ψ_xb,θ,γ)(8)

反求(6)式可以得：

$\mathrm{\ψ}=a\tan \left[(\tan \left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\right)+\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\right))\frac{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}\right]---\left(9\right)$

方位角ψ按照上述计算式进行修正计算。

因此，角度采集器分别通过旋转变压器、加表传感器和倾角传感器采集到对应的旋变读角ψ_xb、俯仰角θ、横滚角γ的三个角度信号，该三个角度信号输入解算器，解算器按照公式(9)进行修正计算得到方位角ψ并产生与方位角ψ相应的数字信号Ⅳ，该数字信号Ⅳ输入DA补偿器Ⅰ产生驱动方位电机的电流，方位电机驱动方位环旋转方位角ψ，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向，这样就修正了系统产生的方位角误差，这种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法的流程如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤一,加速度计检测陀螺的加速度信号并输出；

步骤二，AD采集器Ⅰ采集步骤一的加速度信号并转化后输出数字信号Ⅰ到解算器；

步骤三，旋转变压器检测载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的旋变读角ψ_xb并输出，加表传感器检测载体纵轴与纵向水平轴之间的俯仰角θ并输出，倾角传感器检测载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的横滚角γ并输出，其中的载体为飞行器、船舶、车辆、钻探机或钻井机；

步骤四，角度采集器采集步骤三输出的旋变读角ψ_xb、俯仰角θ和横滚角γ的三个角度信号并分别转化，然后将转换后的数字信号Ⅱ输入解算器；

步骤五，解算器根据输入的数字信号Ⅰ和数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅲ到DA补偿器Ⅱ；

步骤六，DA补偿器Ⅱ根据输入的数字信号Ⅲ产生驱动水平电机的电流，水平电机驱动纵摇环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终保持在当地地理坐标系O-X_oY_oZ_o的OXoYo水平面；

步骤七，解算器根据输入的数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ；

步骤八，DA补偿器Ⅰ根据输入的数字信号Ⅳ产生驱动方位电机的电流，方位电机驱动方位环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向。

作为本发明的一种优选方案，在步骤七中，解算器按照(9)式进行解算得到方位角ψ，然后输入与方位角ψ相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ。

在本发明中采用的惯性方位保持系统如图2所示，旋转变压器、加表传感器和倾角传感器固定在载体上。陀螺和加速度计固定在纵摇环的平台Ⅰ上的固定方式为螺栓固定或者铆接固定等常规的固定方式；水平电机的旋转轴和方位电机的旋转轴分别与纵摇环的纵摇轴和方位环的方位轴联结并传递旋转运动和动力，其联结方式为常规联结方式。旋转变压器、加表传感器和倾角传感器为常规的角度传感器。角度采集器为常规的获取角度信号的控制电路，AD采集器Ⅰ为常规的将模拟信号转换为数字信号的转换电路和控制电路，解算器为常规的单片机系统或者计算机系统，DA补偿器Ⅰ和DA补偿器Ⅱ为常规的将数字信号转换为电信号的转换电路和控制电路。

由此可知，本发明的惯性方位保持系统方位角误差补偿方法及应用该方法的惯性方位保持系统，陀螺和加速度计的数量均只有一只，不但降低了成本，还不需要进行水平陀螺的控制，减少了控制所需的硬件，简化了结构设计和硬件设计，又进一步降低了成本；减少了平台的环体，原来为三环结构：方位环、纵摇环和横摇环，现在为两环结构：方位环和纵摇环，降低成本，减小了体积，减少了加工时间和装配时间；整个系统也便于维修。

陀螺最好采用绕性陀螺，以获得更为准确的定位精度。

Claims (3)

1.一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，其特征在于：在该方法中采用惯性方位保持系统，所述惯性方位保持系统包括一个方位环、一个纵摇环、解算器、DA补偿器Ⅰ、DA补偿器Ⅱ、水平电机、方位电机、子系统Ⅰ和子系统Ⅱ；

子系统Ⅰ包括一只陀螺、一只加速度计和AD采集器Ⅰ；

子系统Ⅱ包括角度采集器和固定在载体上的角度传感器组件，角度传感器组件包括旋转变压器、加表传感器和倾角传感器；

该方法包括如下步骤：

步骤一,加速度计检测陀螺的加速度信号并输出；

步骤二，AD采集器Ⅰ采集步骤一的加速度信号并转化后输出数字信号Ⅰ到解算器；

步骤三，旋转变压器检测载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的旋变读角ψ_xb并输出，加表传感器检测载体纵轴与纵向水平轴之间的俯仰角θ并输出，倾角传感器检测载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的横滚角γ并输出；

步骤四，角度采集器采集步骤三输出的旋变读角ψ_xb、俯仰角θ和横滚角γ的三个角度信号并分别转化，然后将转换后的数字信号Ⅱ输入解算器；

步骤五，解算器根据输入的数字信号Ⅰ和数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅲ到DA补偿器Ⅱ；

步骤六，DA补偿器Ⅱ根据输入的数字信号Ⅲ产生驱动水平电机的电流，水平电机驱动纵摇环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终保持在当地地理坐标系O-X_oY_oZ_o的OXoYo水平面；

步骤七，解算器根据输入的数字信号Ⅱ进行解算，然后输出相应的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ；

步骤八，DA补偿器Ⅰ根据输入的数字信号Ⅳ产生驱动方位电机的电流，方位电机驱动方位环旋转，使得陀螺的旋转轴的轴线始终指向地理北向。

2.如权利要求1所述的一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，其特征在于：所述步骤七中，解算器按照下式进行解算得到方位角ψ，然后输入与相应方位角ψ的数字信号Ⅳ到DA补偿器Ⅰ：

$\mathrm{\ψ}=a\tan \left[(\tan \left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xb}}\right)+\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\right))\frac{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}\right]$

3.如权利要求1或2所述的一种惯性方位保持系统方位角误差补偿方法，其特征在于：所述陀螺为挠性陀螺。