CN105659809B - 基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪及寻北方法 - Google Patents

Abstract

基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪的DSP控制板将各个方向上的陀螺采集到的地球有效速率值和两个加速度计测量得到的载体俯仰角和横摇角代入寻北算法中进行寻北计算得出载体的方位角，根据第一次得出的这个方位角，DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转动一个角度后，在这个新的位置上进行第二次精确寻北，完成第二次寻北后根据两次的寻北结果和转动的角度计算出载体的方位角，最后通过机械转位机构中的单片机控制面板直接输出显示这个角度。本发明消除了载体在非水平面给寻北精度带来的影响，消除了光纤陀螺的常值漂移和零位误差，大大降低了对陀螺精度的要求，而且降低了方位角对寻北精度的影响，提高了寻北的精度。<pb pnum="1" />

Description

基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪及寻北方法

所属技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺寻北仪及其寻北方法，特别是基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪及其寻北方法。

背景技术

火箭、导弹的发射，飞机、舰船的航行都离不开方位基准，天文观测、大地测量、煤炭开发和许多地下工程的施工(如石油钻井方位测量)也不能没有方位基准，而方位基准的获得主要依靠寻北仪。寻北仪通常固定于载体基座上，为陆基设备如导弹机动发射架、车载火炮发射系统、军用指挥车、坦克、装甲车、侦察车等提供北向基准，要求精度高、寿命长、体积小、重量轻、操作简便、反应迅速。陀螺寻北仪的基本原理就是通过陀螺仪来测量地球自转角速度的水平分量从而获得真北信息。

传统的陀螺寻北仪通常采用机械式陀螺。但自有光纤陀螺之后，寻北仪基本上通过光纤陀螺仪来敏感地球自转角速率，称为光纤陀螺寻北仪。与传统的机械式陀螺寻北仪相比，以光纤陀螺作为角速率敏感器后，因为没有运动部件而且是全固态结构，大大地提高了寻北仪的可靠性和寿命；此外，陀螺的成本在整个寻北仪的成本中占了很大的比重，而光纤陀螺具有成本低的优势，从而使寻北仪的性价比得到了提高。

目前，光纤陀螺寻北仪主要由光纤陀螺、DSP控制电路和机械转台组成，其寻北方法根据采样方式和解算方式的不同，可以分为连续转动法和位置法。连续转动法中，转台以恒定的速度旋转，通过转台的动态旋转，地球自转角速度的北向分量在光纤陀螺上的输出按照正弦规律变化(如图1所示)。根据光纤陀螺输出的数据进行拟合得到一条正弦曲线，曲线的最高点和最低点与北向或南向对应，零位的交叉点则分别与东向或西向对应，DSP控制电路通过对角位移传感器的位置采样和拟合得到曲线从而得出载体相对北向的方位角，获得真北信息。位置法的陀螺寻北仪主要是通过机械转台带动光纤陀螺在某些特定位置采集这个方向上的地球自转角速率，然后通过DSP控制电路进行一定的寻北解算得到载体与北向的方位角。

上述寻北仪及寻北方法主要存在如下不足：(1)在实际中，载体所在的坐标系很难与地理坐标系重合，这样导致光纤陀螺的敏感轴不在水平面上，发生了倾斜，而且载体的方位角本身也会给寻北带有一定的误差，这样会给寻北结果带来很大的误差，造成寻北精度降低；(2)上述寻北仪及其两种寻北方法均未考虑光纤陀螺本身的常值漂移和零位误差的影响，使寻北仪对光纤陀螺的精度要求较高；(3)在实际寻北中，有些陀螺存在死区，会给寻北带来很大误差。(4)在实际寻北中，要求有外部信息的输入，比如当地纬度值才能寻北，给寻北的使用带来不便。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪及其寻北方法，这种寻北仪和寻北方法消除了载体在非水平面给寻北精度带来的影响，消除了光纤陀螺的常值漂移和零位误差，大大降低了对陀螺精度的要求，而且降低了方位角对寻北精度的影响，提高了寻北的精度。

本发明的技术解决方案是：基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪，主要包括光纤陀螺、DSP控制电路板和机械转位机构，光纤陀螺安装在机械转位机构上，用来敏感不同方位的地球角速率，光纤陀螺的输出直接送入DSP控制电路板，由DSP统一控制在各个位置采集数据并进行滤波处理，记录各位置的地球有效速率值，其特征在于：还包括分别用来测量载体所在平面的俯仰角和横摇角两个加速度计，它们分别安装在与陀螺敏感轴平行和垂直的方向上，所测得的模拟量通过A/D转换后送入DSP控制电路板进行数据处理，得到载体的俯仰角和横摇角；机械转位机构等待DSP控制电路板的指令，当DSP控制电路板在一个方向上采集数据完成后，发出转位指令，机械转位机构中的单片机接收指令控制转台完成转位，转到下一个位置后陀螺在这个方向上采集数据，陀螺完成每个方向上的数据采集后，DSP控制板将各个方向上的陀螺采集到的地球有效速率值和两个加速度计测量得到的载体俯仰角和横摇角代入寻北算法中进行寻北计算得出载体的方位角，根据第一次得出的这个方位角，DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转动一个角度后，在这个新的位置上进行第二次精确寻北，完成第二次寻北后根据两次的寻北结果和转动的角度计算出载体的方位角，最后通过机械转位机构中的单片机控制面板直接输出显示这个角度。

采用上述基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺仪进行寻北的方法，其特点在于至少包括以下步骤：

(1)载体运行后停在纬度角为θ的某地寻北，将上述寻北仪与载体固联；

(2)通过上述寻北仪测量陀螺敏感轴所在平面的倾斜角，即测量载体的俯仰角α和横摇角γ；

(3)进行第一次粗寻北，用较短的时间求出载体的一个粗略的方位角，对于多位置测量可以按照下式求解方位角：

其中Φ为寻北仪参考轴和地球北向夹角，

(sinΦ)^*，(cosΦ)^*为最小二乘法拟合得到的值；作为多位置测量法中的特例四位置测量法可以按照下式得出方位角：

$\mathrm{\&Phi;}=atan(\frac{(B-{\mathrm{\&omega;}}_{Z}cos\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;})cos\mathrm{\&alpha;}}{(A-{\mathrm{\&omega;}}_Z\sin \mathrm{\&alpha;})cos\mathrm{\&beta;}}+sin\mathrm{\&alpha;}tan\mathrm{\&beta;})$

Φ为寻北仪参考轴和地球北向夹角，α为载体相对地理坐标系的俯仰角，γ为横摇角，β为引入的欧拉角，它与俯仰角、横摇角有如下关系：sinβ＝sinγ/cosα，ω_Z为地球自转角速度在当地纬度θ的东向分量，ω_Z＝ω_iesinθ，ω_ie为地球自转角速度为常值15.041°/小时；

(4)在第一次粗寻北找出载体的一个大概方位角后，再根据得出的这个方位角判断是否处在寻北最佳的方位角；

(5)然后由DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转到上述最佳方位角进行第二次稍长时间的精寻北，采用上述步骤(3)中的公式进行方位角的求解，得出精寻北结果；

(6)根据精寻北结果和转过的机械角度可以算出载体的精确方位角。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于在结构上采用了两只加速度计测量得出的载体俯仰角和横摇角，通过寻北算法消除了光纤陀螺的常值漂移和零位误差，降低了寻北仪对陀螺精度的要求，提高了寻北仪对环境的适应性，降低了寻北仪的成本，同时通过倾斜补偿消除了载体在非水平面给寻北精度带来的影响，而且粗精组合两次寻北的方式，大大消除了方位角对寻北精度的影响，提高了寻北精度。此外，本发明的寻北仪寻北时间短、寻北精度高、而且不需要任何外界信息的输入便可以得到载体的方位角，因此自主性好隐蔽性强，且寿命长、体积小、重量轻、操作简便，特别适合为导弹机动发射架、车载火炮发射系统、军用指挥车、坦克、装甲车、侦察车等提供北向基准。

附图说明

图1地球自转角速率的北向分量随方位角的变化曲线；

图2为本发明的光纤陀螺寻北仪的结构组成原理示意图；

图3为本发明中寻北方法所采用的坐标变换图；

图4为本发明的寻北工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例由一只光纤陀螺、两只加速度计、DSP控制电路板和机械转位机构组成。光纤陀螺安装在机械转位机构上，用来敏感四个方位0°、90°、180°、270°的地球角速率，光纤陀螺的输出直接送入DSP控制电路板，由DSP控制电路板统一控制在上述四个位置采集数据并进行滤波处理，记录四个位置的地球有效速率值；两个加速度计安装在与陀螺敏感轴平行和垂直的方向上，分别用来测量载体所在平面的俯仰角和横摇角，其所测得的模拟量通过A/D转换后送入DSP控制电路板进行数据处理，得到载体的俯仰角α和横摇角γ；机械转位机构等待DSP控制电路板的指令，当DSP控制电路板在一个方向上采集数据完成后，发出转位指令，机械转位机构中的单片机接收指令控制转台完成转位，转到下一个位置后光纤陀螺在这个方向上采集数据，当光纤陀螺完成四个方向上的数据采集后，DSP控制板将四个方向上的陀螺采集到的地球有效速率值和两个加速度计测量得到的载体俯仰角和横摇角进行寻北计算得出载体的粗方位角，根据第一次得出的这个方位角，DSP控制电路板控制转位机构带动光纤陀螺转动一个角度后，在这个新的位置上进行第二次精确寻北，完成第二次寻北后根据两次的寻北结果和转动的角度计算出载体的方位角，最后通过机械转位机构中的单片机控制面板直接输出显示这个角度。

本实施例光纤陀螺采集测量四个位置0°、90°、180°、270°的地球角速率的值，也可以采集四个位置其它角度的数值，或六个位置任意角度、八个位置等多位置的任意角度的数据，其原理是相同的。

本实施例所采用的光纤陀螺为中低精度的全数字闭环光纤陀螺。DSP控制电路板主要由A/D电路、逻辑电路和DSP电路组成。机械转位机构是一种精密的卡位机构，其卡位精度小于5角秒，可靠性、抗震性能优良，其工作过程为：程控单片机接到由DSP发出的转位指令后，抬起电机工作，将台面抬起使得尺盘脱齿，然后控制旋转步进电机使转台转动。然后通知抬起电机将尺盘落下，通过齿盘的卡位达到要求的卡位精度。

本发明的倾斜补偿和粗精寻北原理如下：

(1)倾斜补偿的原理(采用四位置法为例说明)

设载体运行后停在纬度角为θ的某地寻北，寻北仪与载体固联，选取东北天构建地理坐标系OX_tY_tZ_t，并且构建载体坐标系OX_bY_bZ_b(OY_b沿载体所规定的运动方向，并通过设计重心的轴；OX_b垂直于纵轴OY_b，沿纵轴方向向右取为正；OZ_b与OX_b，OY_b构成右手直角坐标系)和测量坐标系OX_mY_mZ_m(OZ_b与OZ_m始终重合，可绕OZ_b旋转，并可停留在规定的任意角η_i位置上，OY_b与OY_m之间夹角为η_i角)。寻北仪的参考轴和载体坐标系OX_bY_bZ_b中的OY_b方向一致，寻北仪参考轴和地球北向夹角为Φ，载体相对地理坐标系的俯仰角为α，横摇角为γ。角度β是地理坐标系到载体坐标系转换过程中引入的欧拉角，它与定义的俯仰角、横摇角有如下关系：

sinβ＝sinγ/cosα；………………………(1)

地理坐标系、载体坐标系和测量坐标系的关系如图1所示。寻北过程中转位机构带动陀螺分别旋转90°得到四个位置：η₁(0°)、η₂(90°)、η₃(180°)、η₄(270°)。坐标变换图为图3，各坐标系之间的变换可以表示为(2)和(3)式：

${\&lsqb;x_b{y}_b{z}_b\&rsqb;}^T=C_t^b{\&lsqb;x_t{y}_t{z}_t\&rsqb;}^T\mathrm{...}\left(2\right)$

${\&lsqb;x_m{y}_m{z}_m\&rsqb;}^T=C_b^m{\&lsqb;x_b{y}_b{z}_b\&rsqb;}^T\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，

$C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&beta;}cos\mathrm{\&Phi;}+sin\mathrm{\&alpha;}cos\mathrm{\&beta;}sin\mathrm{\&Phi;}& sin\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}cos\mathrm{\&Phi;}-cos\mathrm{\&beta;}sin\mathrm{\&Phi;}& -cos\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}\\ sin\mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&alpha;}& cos\mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&alpha;}& sin\mathrm{\&alpha;}\\ cos\mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&beta;}-\sin \mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&alpha;}cos\mathrm{\&beta;}& -sin\mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&beta;}-\cos \mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&alpha;}cos\mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&alpha;}cos\mathrm{\&beta;}\end{array}\right]\mathrm{...}\left(4\right)$

$C_b^m=\left\{\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&eta;}& sin\mathrm{\&eta;}& 0\\ -sin\mathrm{\&eta;}& \cos \mathrm{\&eta;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right\}\mathrm{...}\left(5\right)$

安装在测量轴OY_m方向上的陀螺可测得地球自转角速度ω_ie在地理坐标系上的分量ω_N、ω_Z，这样在转台的四个位置上可以得到四个测量值，表达式如下：

(ω_ym)_i＝[sinΦcosβsinη_i-cosΦsinαsinβsinη_i+cosΦcosαcosη_i]ω_N

+[cosαsinβsinη_i+sinαcosη_i]ω_Z也可以写成下式：

$\left[\begin{array}{c}{\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_1\\ {\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_2\\ {\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_3\\ {\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&alpha;}\\ sin\mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&beta;}-cos\mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}\\ -cos\mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&alpha;}\\ -\sin \mathrm{\&Phi;}cos\mathrm{\&beta;}+cos\mathrm{\&Phi;}sin\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}\end{array}\right]{\mathrm{\&omega;}}_N+\left[\begin{array}{c}sin\mathrm{\&alpha;}\\ cos\mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}\\ -\sin \mathrm{\&alpha;}\\ -\cos \mathrm{\&alpha;}sin\mathrm{\&beta;}\end{array}\right]{\mathrm{\&omega;}}_Z\mathrm{...}\left(6\right)$

ω² _N+ω² _Z＝ω² _ie…………………………………………(7)

其中，ω_N＝ω_iecosθ，ω_Z＝ω_iesinθ，i取1、2、3、4时对应η₁(0°)、η₂(90°)、η₃(180°)、η₄(270°)。上述表达式中(ω_ym)_i为陀螺在第i个位置的输出值，俯仰角α和横摇角γ可以由加速度计测出，因此可以求出方位角：

$\mathrm{\&Phi;}=a\tan (\frac{(B-{\mathrm{\&omega;}}_Z\cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;})\cos \mathrm{\&alpha;}}{(A-{\mathrm{\&omega;}}_Z\sin \mathrm{\&alpha;})\cos \mathrm{\&beta;}}+\sin \mathrm{\&alpha;}\tan \mathrm{\&beta;})\mathrm{...}\left(8\right)$

其中，ω_Z的值可由(1)式和(6)(7)式联立解出。

如果在人工调平下即α＝γ＝0，公式(8)变为：

$\mathrm{\&Phi;}=atan\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_2-{\mathrm{\&omega;}}_4}{{\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_3}\right)\mathrm{...}\left(9\right)$

由上式可以看出，采用这种算法后消除了光纤陀螺的常值漂移和零位误差，而且补偿了由于载体处在非水平面给寻北精度带来的影响。

当采用多位置测量时，假设从初始位置每次转过的角度为η_i，由公式(6)中的(ω_ym)_i＝[sinΦcosβsinη_i-cosΦsinαsinβsinη_i+cosΦcosαcosη_i]ω_N

+[cosαsinβsinη_i+sinαcosη_i]ω_Z可以知道当i＝1，2，3，4，Λ，n时有：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_1\\ {\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_2\\ \mathrm{\&Lambda;}\\ {\left({\mathrm{\&omega;}}_{ym}\right)}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\&lsqb;{\mathrm{sin\&Phi;cos\&beta;sin\&eta;}}_1-{\mathrm{cos\&Phi;sin\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_1+{\mathrm{cos\&Phi;cos\&alpha;cos\&eta;}}_1\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_N\\ \&lsqb;{\mathrm{sin\&Phi;cos\&beta;sin\&eta;}}_2-{\mathrm{cos\&Phi;sin\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_2+{\mathrm{cos\&Phi;cos\&alpha;cos\&eta;}}_2\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_N\\ \mathrm{\&Lambda;}\\ \&lsqb;{\mathrm{sin\&Phi;cos\&beta;sin\&eta;}}_n-{\mathrm{cos\&Phi;sin\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_n+{\mathrm{cos\&Phi;cos\&alpha;cos\&eta;}}_n\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_N\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{c}\&lsqb;{\mathrm{cos\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_1+{\mathrm{sin\&alpha;cos\&eta;}}_1\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_Z\\ \&lsqb;{\mathrm{cos\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_2+{\mathrm{sin\&alpha;cos\&eta;}}_2\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_Z\\ \mathrm{\&Lambda;}\\ \&lsqb;{\mathrm{cos\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_n+{\mathrm{sin\&alpha;cos\&eta;}}_n\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_Z\end{array}\right]\end{array}\mathrm{...}\left(10\right)$

对于方程(10)取最小二乘解可得到(sinΦ)^*，(cosΦ)^*的拟合值，再由求出方位角。

(2)粗精组合位置法的原理

由(8)所述的寻北算法可以看出寻北精度与陀螺漂移、俯仰角、横摇角、纬度角和载体方位角都有关系。下面阐述由于方位角带来的寻北误差分析以及消除这种误差的方法。

陀螺的输出是包含漂移项的，因此公式(6)可以写成下式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_i=\&lsqb;{\mathrm{sin\&Phi;cos\&beta;sin\&eta;}}_i-{\mathrm{cos\&Phi;sin\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_i+{\mathrm{cos\&Phi;cos\&alpha;cos\&eta;}}_i\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_N\\ +\&lsqb;{\mathrm{cos\&alpha;sin\&beta;sin\&eta;}}_i+{\mathrm{sin\&alpha;cos\&eta;}}_i\&rsqb;{\mathrm{\&omega;}}_Z+{\mathrm{\&omega;}}_{bias}\end{array}\mathrm{...}\left(10\right)$

将(10)式重新代入公式(8)，这样对于方位角公式(8)，并将它在陀螺漂移ω_bias＝0处进行泰勒展开，可以得到下式：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&Phi;}={{\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}_{\left(0\right)}{\mathrm{\&omega;}}_{bias1}+\frac{1}{2!}{{\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;\&prime;}}_{\left(0\right)}{{\mathrm{\&omega;}}^2}_{bias1}+\frac{1}{3!}{{\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;\&prime;\&prime;}}_{\left(0\right)}{{\mathrm{\&omega;}}^3}_{bias1}+\mathrm{......}+\frac{1}{n!}{{\mathrm{\&Phi;}}^{\left(n\right)}}_{\left(0\right)}{{\mathrm{\&omega;}}^n}_{bias1}+o\left({\left|{\mathrm{\&omega;}}_{bias1}\right|}^n\right)\mathrm{...}\left(11\right)$

(11)式中ω_bias1表示两个相对位置上陀螺输出相减后得到的陀螺漂移，当陀螺漂移较小时，可以忽略(11)式中的高阶项，因此得到公式

ΔΦ＝Φ₍₀₎ω_bias1…………………………(12)

从(11)、(12)式可以看出，寻北精度与陀螺漂移项、方位角、俯仰角、横摇角、纬度角都有关系，而且当纬度角、俯仰角、横摇角一定时，寻北精度随方位角变化而变化。

采用本发明的粗精组合位置法的寻北方式消除方位角带来的寻北误差，在第一次粗寻北时用很短的时间找出载体的一个大概方位角再根据得出的这个方位角判断是否处在寻北最佳的方位角，然后由DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转到最佳方位角进行第二次时间稍长的寻北，最后由得到的寻北结果和转过的机械角度可以算出载体的方位角，这样就提高了寻北仪的寻北精度。

由此本发明实施例采用四位置法，即测量光纤陀螺四个位置的数据，进行寻北，具体步骤如下：

(1)载体运行后停在纬度角为θ的某地寻北，将上述寻北仪与载体固联；

(2)通过上述寻北仪的两个加速度计测量陀螺敏感轴所在平面的倾斜角，即测量载体的俯仰角α和横摇角γ；

(3)用较短的时间(一般3-5s)进行第一次粗寻北，寻北过程中使光纤陀螺分别旋转90°，得到四个位置的地球角速率值，ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，按照上述(8)式求出载体的一个粗略的方位角；

(4)在第一次粗寻北找出载体的一个大概方位角后，再根据得出的这个方位角判断是否处在寻北最佳的方位角。判断寻北仪是否处在寻北最佳的方位角时，首先要根据不同纬度下事先的仿真或试验得出，然后再进行判断，如果未处在最佳方位角，继续进行粗寻北，直至达到最佳方位角为止；

(5)之后由DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转到上述最佳方位角位置，进行第二次稍长时间(一般30-40s)的精寻北，以上述最佳方位角作为载体初始的纬度角为θ，利用上述步骤(8)中的公式进行方位角的求解，得出精寻北结果。求解过程中，仍然采用四位置法；

(6)根据精寻北结果和转过的机械角度可以算出载体的精确方位角。

采用六位置法、八位置法等多位置时的原理与采用四位置法的相同，只是求解方程的解算法不同(多位置测量一般需采用拟合法解方程)，仍能够达到本发明的目的。

Claims (2)

1.基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺寻北仪，主要包括光纤陀螺、DSP控制电路板和机械转位机构，光纤陀螺安装在机械转位机构上，用来敏感不同方位的地球角速率，光纤陀螺的输出直接送入DSP控制电路板，由DSP统一控制在各个位置采集数据并进行滤波处理，记录各位置的地球有效速率值，其特征在于：还包括分别用来测量载体所在平面的俯仰角和横摇角两个加速度计，它们分别安装在与陀螺敏感轴平行和垂直的方向上，所测得的模拟量通过A/D转换后送入DSP控制电路板进行数据处理，得到载体的俯仰角和横摇角；机械转位机构等待DSP控制电路板的指令，当DSP控制电路板在一个方向上采集数据完成后，发出转位指令，机械转位机构中的单片机接收指令控制转台完成转位，转到下一个位置后陀螺在这个方向上采集数据，陀螺完成每个方向上的数据采集后，DSP控制板将各个方向上的陀螺采集到的地球有效速率值和两个加速度计测量得到的载体俯仰角和横摇角代入寻北算法中进行寻北计算得出载体的方位角，当采用四位置测量法时方位角的计算公式为：其中，ω₁，ω₂，ω₃，ω₄为四个位置的陀螺测量值，Φ为寻北仪参考轴和地球北向夹角，α为载体相对地理坐标系的俯仰角，γ为横摇角，β为引入的欧拉角，它与俯仰角、横摇角有如下关系：sinβ＝sinγ/cosα，ω_Z为地球自转角速度在当地纬度θ的天向分量，ω_Z＝ω_iesinθ，ω_ie为地球自转角速度为常值15.041°/小时；根据第一次得出的这个方位角，DSP控制电路板控制转位机构带动陀螺转动一个角度后，在这个新的位置上进行第二次精确寻北，完成第二次寻北后根据两次的寻北结果和转动的角度计算出载体的方位角，最后通过机械转位机构中的单片机控制面板直接输出显示这个角度。

2.基于倾斜补偿和粗精组合位置法的光纤陀螺仪进行寻北的方法，其特征在于至少包括以下步骤：

(1)载体运行后停在纬度角为θ的某地寻北，将上述寻北仪与载体固联；

(2)通过上述寻北仪测量陀螺敏感轴所在平面的倾斜角，即测量载体的俯仰角α和横摇角γ；

(3)进行第一次粗寻北，用较短的时间求出载体的一个粗略的方位角，其中对于多位置测量可以按照下式求解方位角：

其中Φ为寻北仪参考轴和地球北向夹角，(sinΦ)^*，(cosΦ)^*为最小二乘法拟合得到的值，当采用四位置测量法时，按照下式求解方位角：其中， ω₁，ω₂，ω₃，ω₄为四个位置的陀螺测量值，Φ为寻北仪参考轴和地球北向夹角，α为载体相对地理坐标系的俯仰角，γ为横摇角，β为引入的欧拉角，它与俯仰角、横摇角有如下关系：sinβ＝sinγ/cosα，ω_Z为地球自转角速度在当地纬度θ的天向分量，ω_Z＝ω_iesinθ，ω_ie为地球自转角速度为常值15.041°/小时；

(4)在第一次粗寻北找出载体的一个大概方位角后，再根据得出的这个方位角判断是否处在寻北最佳的方位角；

(5)然后控制转位机构带动陀螺转到上述最佳方位角进行第二次稍长时间的精寻北，采用上述步骤(3)中的公式进行方位角的求解，得出精寻北结果；

(6)根据精寻北结果和转过的机械角度可以算出载体的精确方位角。