CN103512570B

CN103512570B - 一种预置45°带解算失效判定的寻北方法

Info

Publication number: CN103512570B
Application number: CN201310474675.5A
Authority: CN
Inventors: 苏中; 季林; 李擎; 刘宁; 时佳斌
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2013-10-12
Filing date: 2013-10-12
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-10-12
Also published as: CN103512570A

Abstract

本发明涉及一种预置45°带解算失效判定的寻北方法。该方法包括：首先利用单点粗寻北，得到了任意初始位置陀螺方位轴与真北方向大致偏角；然后控制转位机构旋转，通过预置北向偏角45°，得到精寻北起点;以精寻北起点为初始位置，控制转位机构进行四位置数据采集，通过单轴四位置和双轴四位置寻北得到三个北向偏角；最后，利用解算失效判定对解算结果进行校正。本发明利用粗、精寻北相结合方式，通过预置45°北向偏角，满足了寻北仪任意初始位置寻北需求，有效避免了航径效应，提高了寻北精度；利用算法进行解算结果失效判定，有效排除了陀螺工作不稳定及失效问题，避免了寻北失败，大大提高了寻北可靠性和精度，同时降低了冗余配置成本。

Description

一种预置45°带解算失效判定的寻北方法

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种预置45°带解算失效判定的寻北方法。

背景技术

惯性寻北技术是惯性技术领域的重要组成部分，是现代信息化战争中确保武器系统快速、机动、精确打击的重要保障技术之一。作为惯性技术的一个重要应用领域，陀螺寻北仪以其不受自然条件或环境干扰，具有连续工作时间长、精度高等特点，被广泛应用在军事上和民用上，使其成为了一种能在静态条件下全天候自动指示方位的高精度惯性仪表。

陀螺寻北仪通常由陀螺、加速度计和转位机构等组成，利用陀螺、加速度计分别敏感地球自转角速率分量和重力加速度分量，采用单位置、多位置或旋转调制等方式采集陀螺和加表的输出，通过坐标变换解算得到北向偏角。

由于寻北过程容易受到干扰，寻北方法的可靠性和精度决定了寻北仪的性能。目前的寻北方法主要致力于解决敏感元件漂移及各种误差对寻北精度的影响，忽略了初始位置因素和陀螺工作不稳定及失效问题。这些方法无法有效避免航径效应和排除陀螺失效问题，无法满足任意初始位置寻北，寻北精度不高和寻北时间长，甚至由于陀螺工作不稳定或失效导致寻北失败，无形间降低了寻北仪工作可靠性，增加了时间成本，造成了不必要的浪费，这对具有时间性和可维护性要求的应用场合是及其不利的。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统寻北方法无法有效避免航径效应和有效排除陀螺工作不稳定及失效问题而导致的无法满足任意初始位置寻北、寻北精度低、可靠性差、冗余配置成本高等缺点，提供了一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，该方法能够有效避免航径效应，确保满足任意初始位置寻北，提高寻北精度；能够有效排除陀螺工作不稳定及失效问题，确保输出结果有效性，提高了寻北仪工作可靠性，降低冗余配置成本。

为了解决传统寻北方法存在的问题，本发明提供一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，该方法包括下列步骤：

步骤1、寻北仪上电后，利用报文收发校验模式进行自检，检查各单元工作是否正常，利用单点粗寻北得到任意初始位置陀螺方位轴与真北方向的大致偏角;

步骤2、为有效避免航径效应，提高寻北精度，控制转位机构旋转,通过预置45°北向偏角，得到精寻北起点；

步骤3、控制转位机构旋转，进行数据采集，首先以步骤2确定的精寻北起点为位置1，进行陀螺和加表的输出数据采集，完成后依次控制转位机构逆时针旋转90°，完成位置2、3、4的数据采集工作，并最终返回位置1；

步骤4、陀螺、加表断电，对四个位置采集的数据进行处理，包括粗大误差剔除、数据平滑滤波和均值处理，得到陀螺和加表在四个位置输出的均值；

步骤5、进行解算失效判定，根据步骤4得到的陀螺、加表输出均值，分别采用轴陀螺、轴陀螺和双轴陀螺四位置寻北，得到三个北向偏角；然后对三个北向偏角进行均值和标准差求解，利用准则判断陀螺是否失效。若陀螺工作正常，解算结果不修正；若陀螺工作不稳定或者失效，解算结果进行修正，并生成相应的失效报告；

步骤6、对步骤5的解算结果进行误差补偿，输出补偿后的北向偏角，本轮寻北解算结束，若开始新一轮寻北解算，则返回步骤1。

与现有方法相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明首先利用单点粗寻北，得到任意初始位置陀螺方位轴与真北方向大致偏角；然后控制转位机构旋转，通过预置北向偏角45°，得到精寻北起点。利用粗、精寻北相结合方式，通过预置45°北向偏角，满足了寻北仪任意初始位置寻北需求，有效避免了航径效应，提高了寻北精度；

（2）本发明对四个位置采集得到的陀螺、加表输出数据分别采用轴陀螺、轴陀螺和双轴陀螺四位置寻北，通过坐标变换解算得到三个北向偏角；然后对三个北向偏角进行均值和标准差求解，利用准则进行陀螺失效判定。通过判定有效解决了陀螺工作不稳定及失效问题，确保了每次解算结果输出精确性，提高了寻北仪工作可靠性和可维护性，降低了冗余配置成本。

（3）本发明在充分考虑各种误差因素前提下，创新性提出了预置45°北向偏角的粗、精相结合且具有陀螺失效判定的寻北方法，大大提高了寻北可靠性和寻北精度，可归纳形成寻北方法设计的规范和标准。

附图说明

图1为预置45°带解算失效判定的寻北方法流程图；

图2为寻北解算中各坐标系示意图；

图3为转位机构示意图；

图4（a）、图4（b）分别为陀螺输出信号预处理前、后对比效果图；

图5（a）、图5（b）分别为预置45°带解算失效判定寻北方法和二位置寻北方法陀螺输出示意图；

图6为预置45°带解算失效判定寻北方法的误差估计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，包括下列步骤：

步骤1、寻北仪上电后自检，利用单点粗寻北得到任意初始位置陀螺方位轴与真北方向的大致偏角；

1）通讯协议

将寻北仪内部通信信息压缩成信息包形式，每个信息包包含起始字符、命令号、正文开始字符、正文结束字符和校验标志位；

2）收发校验自检

通电后实时检测各单元工作情况并生成可定位故障单元的状态代码，状态代码被包含在信息包中以1的周期发送给显控。若自检无误，寻北仪接受命令开始执行寻北流程；若自检不合格，寻北仪自动切断敏感元件供电电源并报警；

3）单点粗寻北

自检无误后，采集陀螺、加表初始位置输出，经数据处理后得到二者输出均值；然后如图2所示，通过坐标变换将陀螺两轴输出数据由陀螺坐标系(b系)变换到过渡坐标系(1系)；最后如表1所示，通过正切解算角与北向偏角区间划分关系得到初始位置陀螺方位轴与真北方向的偏角。

表1

步骤2、为有效避免航径效应，提高寻北精度，控制转位机构旋转，得到精寻北起点；

1）航径效应

初始位置北向偏角为时，陀螺敏感到的地球自转角速率分量很小或甚至为零，此位置采集的陀螺输出用于寻北解算容易造成很大误差，该特殊位置对寻北精度的影响称为“航径效应”；

2）预置45°北向偏角

初始位置北向偏角为45°，位置因素对寻北精度的影响最小，此位置采集的陀螺输出用于寻北解算可大大提高寻北精度。为有效避免航径效应，采用预置45°北向偏角模式，控制转位机构旋转，得到精寻北起点。

步骤3、以步骤2确定的精寻北起点为位置1，控制转位机构旋转，每次逆时针旋转90°，依次完成位置1、2、3、4的数据采集，并最终返回位置1；

1）精寻北

以步骤2预置45°北向偏角后的点为精寻北起点，设为位置1，采集陀螺和加表在位置1的输出并进行数据存储；

2）转位机构运动

如图3所示，通过控制电机进行转位运动。完成位置1数据采集后，通过指令控制电机逆时针旋转90°至位置2，待转位机构稳定后，采集一段时间内陀螺和加表的输出；完成位置2数据采集后，采用同样控制策略，每次控制转位机构逆时针旋转90°，依次完成位置3、4的数据采集，并最终返回位置1。

步骤4、陀螺、加表断电，对四位置采集的数据进行处理，主要包括粗大误差剔除、数据平滑滤波和均值处理，得到陀螺和加表四个位置的均值输出；

1）断电保护

完成数据采集后，后续工作不涉及敏感元件，为节省能耗和保护器件，自动切断陀螺、加表供电电源；

2）数据预处理

陀螺、加表存在漂移，且易受外界环境干扰，为保证数据有效性和准确性，需对采集的数据进行预处理。首先，对数据进行低通滤波和中值滤波平滑处理，滤除高频干扰；然后根据莱伊特规则对经过双重滤波的信号进行粗大误差值剔除；最后，对经过前两步预处理的陀螺和加表输出信号进行均值处理，得到它们在四个不同位置的均值输出。

步骤5、进行解算失效判定。根据步骤4得到的陀螺、加表输出均值，分别采用轴陀螺、轴陀螺和双轴陀螺四位置寻北，得到三个北向偏角；然后对三个北向偏角进行均值和标准差求解，利用准则判断陀螺是否失效。若陀螺工作正常，解算结果不修正；若陀螺工作不稳定或者失效，解算结果进行修正，并生成相应的失效报告；

1）单轴陀螺四位置寻北

首先，由图5(a)可知，经过数据处理后，轴陀螺在四个位置分别有均值输出：和；由于陀螺与轴陀螺正交安装，所以轴陀螺输出与轴陀螺输出一一对应，即、、、；

然后，对单轴陀螺输出进行去常值漂移处理。如图5(b)所示，二位置寻北利用0°位置和180°位置陀螺输出进行常值漂移消除，即、；充分利用轴陀螺输出对应性，进行单轴陀螺去常值漂移处理，即、和、；

最后，通过坐标变换将轴陀螺去常值漂移后的由陀螺坐标系(b系)变换到过渡坐标系(1系)，利用正切解算角与北向偏角区间划分关系得到北向偏角；同理，利用求得轴陀螺四位置寻北北向偏角。

2）双轴四位置寻北

首先，通过坐标变换将由陀螺坐标系(b系)变换到过渡坐标系(1系)，利用反正切函数求解，经过区间变换得到北向偏角；同理，利用可求得另一个北向偏角；

然后，为有效消除陀螺常值趋势项和提高寻北精度，采用下式得到双轴四位置寻北北向偏角：。

3）解算失效判定

首先，对已求北向偏角进行均值和标准差求解，得到和；

然后，分别对轴陀螺进行失效判定。具体方法为：、分别与进行比较，若其中的某个判别式满足大于或者等于关系，说明该轴陀螺工作不稳定或者失效；若两个判别式均不满足大于或者等于关系，则陀螺双轴均工作正常；

最后，若存在一轴陀螺失效，则将另一轴陀螺四位置寻北偏向角作为解算结果，并生成陀螺失效信息包输送给显控；若两轴陀螺均失效，发送寻北失败信息包给显控；若两轴陀螺均工作正常，则将双轴四位置寻北偏向角作为解算结果。

步骤6、对步骤5获取的解算结果进行误差补偿，输出补偿后的北向偏角，本轮寻北解算结束；若开始新一轮寻北解算，则返回步骤1。

首先，在陀螺、加表等元件安装完成后，进行相应的漂移、误差标定；

然后，建立误差模型，估算各个误差对寻北精度的影响，得到相应精度影响量级和范围；

最后，步骤5解算结果加上相应的补偿值作为最终寻北结果输出。

从图4(a)可以看出，未经处理的陀螺输出信号扰动比较大，存在着大量的噪声；图4(b)是陀螺输出信号经过预处理的效果图，从中可以看出：经过预处理的陀螺输出信号相对平滑，噪声和高频信号均被很好抑制。

图6为预置45°带解算失效判定寻北方法的误差估计图。从图6中可以看出，当陀螺随机漂移为0.1°/h，常值漂移0.005°/h；加速度计常值漂移为2~3mg，随机漂移10~20mg；转位机构定位误差为0.01°；重力数值异常为2mg时，各种误差综合起来对寻北精度影响量级为10^-3度，范围为-1.510^-3~110^-3度。由此可见，预置45°带解算失效判定的寻北方法可有效避免航径效应，有效消除敏感元件的常值漂移和有效抑制敏感元件的随机漂移。

表2为采用预置45°带解算失效判定寻北方法的解算结果。

表2

通过表2可以看出，若不采用解算失效判定，直接以作为解算结果，由于轴陀螺工作不稳定或失效，将严重降低寻北精度；若采用解算失效判定(这里值为1)，将有效判定出轴陀螺，从而避免使用带轴陀螺输出数据的北向偏角作为解算结果，而使用作为解算结果，这样既保证了寻北精度，又提高了寻北仪工作可靠性。

综上所述，本发明提供的寻北方法是科学有效的。该方法通过预置45°北向偏角，粗、精寻北相结合方式，有效避免了航径效应，满足了寻北仪任意点寻北需求，提高了寻北精度；利用解算失效判定，有效地分辨出不稳定或失效陀螺，确保了解算结果的精确性和可靠性，降低了冗余配置成本，同时便于排错和后期维护。本发明极大缩减了时间成本，避免了资源浪费，可充分适应具有时间性和可维护性要求的应用场合，可归纳形成捷联式陀螺寻北方法设计的规范和标准。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，包括：

步骤1、寻北仪上电后，利用报文收发校验模式进行自检，检查各单元工作是否正常，利用单点粗寻北得到初始位置陀螺方位轴大致北向偏角;

步骤2、控制转位机构旋转,通过预置45°北向偏角，得到精寻北起点；

步骤3、控制转位机构旋转至四个位置，进行数据采集，首先以步骤2确定的精寻北起点为位置1，进行陀螺和加表的输出采集，完成后依次控制转位机构逆时针旋转90°，完成位置2、3、4的数据采集工作，并最终返回位置1；

步骤5、进行解算失效判定，根据步骤4得到的陀螺、加表输出均值，分别采用轴陀螺、轴陀螺和双轴陀螺四位置寻北，得到三个北向偏角;然后对三个北向偏角进行均值和标准差求解，利用准则判断陀螺是否失效，若陀螺工作正常，解算结果不修正；若陀螺工作不稳定或者失效，则对解算结果进行修正，并生成相应的失效报告；

步骤6、对步骤5的解算结果进行误差补偿，输出补偿后的北向偏角，本轮寻北解算结束；若开始新一轮寻北解算，则返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，其特征在于，步骤1进一步包括：

1）将寻北仪内部通信信息压缩成信息包形式，每个信息包包含起始字符、命令号、正文开始字符、正文结束字符和校验标志位；

2）通电后实时检测各单元工作情况并生成可定位故障单元的状态代码，状态代码被包含在信息包中以的周期发送给显控，若自检无误，寻北仪接受命令开始执行寻北流程；若自检不合格，寻北仪自动切断敏感元件供电电源并报警；

3）自检无误后，采集陀螺、加表初始位置输出，经数据处理后得到二者输出均值；通过坐标变换将陀螺两轴输出数据由陀螺坐标系变换到过渡坐标系；通过正切解算角与北向偏角区间划分关系得到初始位置陀螺方位轴与真北方向的偏角。

3、根据权利要求1所述的一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，其特征在于，步骤2进一步包括：

1）寻北仪自检无误后，陀螺和加表开始输出信号，采集电路对输出信号进行粗大误差剔除、平滑滤波预处理，得到较可靠输出信号；

2）解算计算机对上述信号进行均值处理，得到陀螺和加表在载体坐标系下均值输出、、、，通过坐标变换，得到过渡坐标系下陀螺输出、，利用反正切函数求取初始位置北向偏角；

3）控制转位机构旋转，得到精寻北起点。

4、根据权利要求1所述的一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，其特征在于，步骤3进一步包括：

1）以步骤2预置45°北向偏角后的点为精寻北起点，设为位置1，采集陀螺和加表在位置1的输出并进行数据存储；

2）通过控制电机进行转位运动，完成位置1数据采集后，通过指令控制电机逆时针旋转90°至位置2，待转位机构稳定后，采集一段时间内陀螺和加表的输出；完成位置2数据采集后，采用同样控制策略，每次控制转位机构逆时针旋转90°，依次完成位置3、4的数据采集，并最终返回位置1。

5、根据权利要求1所述的一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，其特征在于，步骤4进一步包括：

1）完成数据采集后，后续工作不涉及敏感元件，为节省能耗和保护器件，自动切断陀螺、加表供电电源；

2）对采集的数据进行预处理；首先，对数据进行低通滤波和中值滤波平滑处理，滤除高频干扰；然后根据莱伊特规则对经过双重滤波的信号进行粗大误差值剔除；最后，对经过前两步预处理的陀螺和加表输出信号进行均值处理，得到它们在四个不同位置的均值输出。

6、根据权利要求1所述的一种预置45°带解算失效判定的寻北方法，其特征在于，步骤5进一步包括：

1）对步骤4后轴陀螺四个位置均值输出和进行去常值漂移处理，得到、和、，通过坐标变换和反正切函数求取轴陀螺四位置寻北北向偏角和轴陀螺四位置寻北北向偏角；

2）通过坐标变换和反正切函数，利用和分别求解得到北向偏角和，为有效消除陀螺常值趋势项和提高寻北精度，采用解算得到双轴四位置寻北北向偏角；

3）对已求北向偏角进行均值和标准差求解，得到和，分别对轴陀螺进行失效判定，具体方法为：、分别与进行比较，若其中的某个判别式满足大于或者等于关系，说明该轴陀螺工作不稳定或者失效，若两个判别式均不满足大于或者等于关系，则陀螺双轴均工作正常；

4）根据判定结果进行解算结果校正，若存在一轴陀螺失效，则将另一轴陀螺四位置寻北偏向角作为解算结果，并生成陀螺失效信息包输送给显控；若两轴陀螺均失效，发送寻北失败信息包给显控；若两轴陀螺均工作正常，则将双轴四位置寻北偏向角作为解算结果。