CN105606125A - 一种惯性稳定设备的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性稳定设备的测试装置及方法。包括安装平台、滚动框架、俯仰框架和天线安装板，安装平台的中心下端与滚动框架的中心铰接，滚动框架的两侧壁与俯仰框架的中心铰接，俯仰框架的两侧壁与天线安装板的转轴铰接，所述的安装平台上固定有竖直的载机垂直轴、与载机垂直轴垂直的而且相互垂直的载机横轴和载机纵轴。选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性系统的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性系统的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换。它方法简单，精度高。

Description

一种惯性稳定设备的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种惯性稳定平台三轴测试领域，特别是一种惯性稳定设备的测试装置及方法。

背景技术

目前相关专利有两轴水平稳定平台，对水平(横滚、俯仰)两个姿态进行稳定，《机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法》(见专利号20141068990514)。无法满足三轴稳定平台测量。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种惯性稳定设备的测试装置及方法。它方法简单，精度高。

一种惯性稳定设备的测试装置包括安装平台、滚动框架、俯仰框架和天线安装板，安装平台的中心下端与滚动框架的中心铰接，滚动框架的两侧壁与俯仰框架的中心铰接，俯仰框架的两侧壁与天线安装板的转轴铰接，所述的安装平台上固定有竖直的载机垂直轴、与载机垂直轴垂直的而且相互垂直的载机横轴和载机纵轴，所述的安装平台与滚动框架之间的夹角为俯仰角，滚动框架与俯仰框架之间的夹角为滚动角，俯仰框架与天线安装板之间的夹角为方位角。

一种惯性稳定设备的测试方法，包括：一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航系统，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z。

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性系统，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航系统为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪。经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性系统的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性系统的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

$C_{ra}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& 0& -sin\mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{pr}{C}_{ra}{C}_{ab}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性系统的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性系统20min，光纤惯性系统对准10min，光纤惯性系统对准结束转导航后，此时光纤惯性系统输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性系统姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航系统输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角。

本发明方法简单，精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明测试装置示意图；

图2为本发明经纬仪测量天线姿态示意图；

图3为本发明光纤惯导与天线的位置示意图。

具体实施方式

一种惯性稳定设备的测试装置包括安装平台2、滚动框架7、俯仰框架5和天线安装板6，安装平台2的中心下端与滚动框架7的中心铰接，滚动框架7的两侧壁与俯仰框架5的中心铰接，俯仰框架5的两侧壁与天线安装板6的转轴铰接，所述的安装平台2上固定有竖直的载机垂直轴3、与载机垂直轴3垂直的而且相互垂直的载机横轴4和载机纵轴1，所述的安装平台2与滚动框架7之间的夹角A为俯仰角，滚动框架7与俯仰框架5之间的夹角R为滚动角，俯仰框架5与天线安装板6之间的夹角E为方位角。

一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航系统，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z。

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性系统，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航系统为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪。经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性系统的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性系统的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

$C_{ra}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& 0& -sin\mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{pr}{C}_{ra}{C}_{ab}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性系统的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性系统20min，光纤惯性系统对准10min，光纤惯性系统对准结束转导航后，此时光纤惯性系统输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性系统姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航系统输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角；

表1-6为经纬仪实测天线的大地姿态，公式推导天线对大地姿态，通过实验对比，姿态解算与姿态测量保持一致，本发明提出的测量方法正确，可以准确的测量出三轴惯性稳定设备的姿态；

表1第一组测试数据单位：°

表2第二组测试数据单位：°

表3第三组测试数据单位：°

表4第四组测试数据单位：°

表5第五组测试数据单位：°

表6第六组测试数据单位：°

5)、精度评估方法

三轴惯性稳定平台的精度评估是一个很复杂的试验。一般情况下要用激光跟踪仪来进行跟踪，通过高精度激光跟踪仪来评估三轴稳定平台的精度保持情况，但一般价格昂贵。

利用光纤惯导A和B，和三轴惯性稳定平台框架角，利用算法4.2求解三轴框架角大地地理姿态。通过一组摇摆试验，利用以下公式计算三轴惯性稳定平台三个框架角的保持精度。

$RMS=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Ti-T)$

注：n指试验次数，T分别代表方位框、俯仰框、滚动框。

Claims (2)

1.一种惯性稳定设备的测试装置及方法，其特征在于：包括安装平台(2)、滚动框架(7)、俯仰框架(5)和天线安装板(6)，安装平台(2)的中心下端与滚动框架(7)的中心铰接，滚动框架(7)的两侧壁与俯仰框架(5)的中心铰接，俯仰框架(5)的两侧壁与天线安装板(6)的转轴铰接，所述的安装平台(2)上固定有竖直的载机垂直轴(3)、与载机垂直轴(3)垂直的而且相互垂直的载机横轴(4)和载机纵轴(1)，所述的安装平台(2)与滚动框架(7)之间的夹角(A)为俯仰角，滚动框架(7)与俯仰框架(5)之间的夹角(R)为滚动角，俯仰框架(5)与天线安装板(6)之间的夹角(E)为方位角。

2.一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航系统，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z；

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性系统，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航系统为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪，经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性系统的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性系统的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{\mathrm{pr}}{C}_{\mathrm{ra}}{C}_{\mathrm{ab}}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性系统的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性系统20min，光纤惯性系统对准10min，光纤惯性系统对准结束转导航后，此时光纤惯性系统输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性系统姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航系统输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角。