CN107255475B - 一种对称结构加速度计寻北仪与动态差分寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称结构加速度计寻北仪与动态差分寻北方法，该寻北仪包括伺服电机、光电编码器、转台、加速度计以及导电环；转台为连杆型对称结构，两个加速度计呈对称布置安装在转台上，且距转台轴线具有一定的偏距，伺服电机输出轴与转台固连，在伺服电机的带动下转台可匀速转动，通过加速度计测量参考点的绝对加速度进行方位角解算。本发明可消除加速度计偏心配置时产生的惯性离心力，降低转台稳速控制的难度。此外，动态差分寻北方法通过差分和比例运算消除纬度参数、加速度计零偏以及定位尺寸误差等的影响，可有效提高方位角解算精度。

Description

一种对称结构加速度计寻北仪与动态差分寻北方法

技术领域

本发明涉及惯性寻北技术领域，具体涉及一种对称结构加速度计寻北仪与动态差分寻北方法。

背景技术

惯性寻北是指采用陀螺仪、加速度计等惯性元件确定大地真北方向的方法。这种方法不受地形、地貌以及气候等外部条件的干扰和限制，具有连续工作时间长，寻北精度高等优点，对确保现代战争中武器系统的战场生存、快速反应以及精确打击能力具有重要意义。然而，传统的陀螺寻北仪存在高精度与高效率之间的矛盾，是当前惯性寻北技术中亟待解决的难题。此外，陀螺寻北仪需要使用高精度的陀螺，系统结构复杂，成本较高。因此，研制高精度、高效率、小型化以及低成本的寻北装置仍是惯性定向领域的重要研究课题。

随着非陀螺惯性测量技术的发展，20世纪90年代有学者提出利用加速度计进行寻北的设想。这一思路摒弃了昂贵的陀螺，为解决传统陀螺寻北中存在的问题提供了新的方案。加速度计具有精度高、响应速度快以及体积小等优点，其寻北采用动态工作方式，反应速度快，在精度、效率以及成本等方面均具有潜在优势。因此，近年来有关加速度计寻北的研究逐步引起人们的关注。

现有加速度计寻北方案是将一只加速度计偏心安装在水平转台上，加速度计的敏感轴竖直向上，转台在电机的带动下作匀速转动，通过加速度计测量其安装位置的加速度进行北向角解算。

现有寻北方案属于加速度计偏心安装的非对称结构。当转台高速转动时，偏心结构会产生较大的惯性离心力，致使仪器的振动和噪声加大，从而增加转台稳速控制的难度，不利于提高寻北精度。此外，现有寻北方法均采用寻北方程直接进行方位角解算，无法消除纬度、加速度计零偏以及噪声等的影响，不利于提高方位角的解算精度。

发明内容

本发明提出一种对称结构加速度计寻北仪，可减少现有加速度计寻北方案偏心结构导致的振动及噪声，减轻惯性离心力对仪器结构的压力，降低转台稳速控制的难度，有利于提高寻北精度。此外，利用加速度计输出信号的周期性，发明一种动态差分寻北方法。这一方法通过差分和比例运算消除纬度参数、加速度计零偏以及定位尺寸误差等的影响，可有效提高方位角解算精度。

本发明采用的技术方案为：一种对称结构加速度计寻北仪，包括伺服电机、光电编码器、转台、加速度计以及导电环，伺服电机的末端安装有光电编码器，伺服电机与光电编码器二者同轴组成为一体；转台为连杆型对称结构，以减小转动时的惯性离心力，两个加速度计呈对称布置安装在转台上，且距转台轴线具有一定的偏距，导电环与伺服电机输出轴固连，用于避免线缆缠绕，伺服电机输出轴与转台固连，在伺服电机的带动下转台可匀速转动，通过加速度计测量参考点的绝对加速度进行方位角解算。

本发明还提供一种动态差分寻北方法，该方法利用上述的对称结构加速度计寻北仪，该方法包括如下步骤：

第一步：选择加速度计敏感轴上某点为参考点，并建立地心惯性坐标系和地理坐标系；

地心惯性坐标系o_ix_iy_iz_i：坐标原点o_i选在地球的中心，o_iz_i轴沿地轴指向北极，o_ix_i轴在赤道平面内且指向本初子午线，o_iy_i轴按右手规则确定；

地理坐标系o_tx_ty_tz_t：坐标原点选在转台的转动中心，o_tx_t指东，o_ty_t指北，o_tz_t沿地垂线方向指天；

第二步：确定参考点相对地心惯性坐标系的绝对加速度的各加速度分项，包括相对加速度加速度a_r，牵连加速度a_e以及科里奥加速度a_c三部分；

第三步：根据加速度合成原理，确定加速度计寻北方程：

式中，g为重力加速度；ω_e为地球自转角速度；R为地球半径；ω_r为转台的自转角速度；

为纬度；l为加速度计敏感轴到转台轴线的距离；θ为北向角；

第四步：根据余弦信号的周期性，采集加速度计在0度，90度，180度，270度位置时的测量值；

0度位置：

90度位置：

180度位置：

270度位置：

第五步：以相位差为180度的两个方程相减并作比例运算，构造动态差分寻北算法，建立方位角解算方程：

其中，f_m1，f_m2，f_m3和f_m4分别表示加速度计在四个位置的测量值；θ表示北向方位角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提出一种对称结构加速度计寻北仪，可减少现有加速度计寻北方案偏心结构导致的振动及噪声，减轻惯性离心力对仪器结构的压力，降低转台稳速控制的难度，有利于提高寻北精度。此外，利用加速度计输出信号的周期性，发明一种动态差分寻北方法，通过方位角解算方程的差分和比例运算，消除纬度参数、加速度计零偏以及加速度计定位尺寸误差等的影响，有效提高方位角解算精度。

附图说明

图1为对称结构加速度计寻北仪原理图；

图2为坐标系示意图；

图3为动态差分寻北方法原理图；

图4为动态差分寻北方法流程图。

图中附图标记含义为：1为伺服电机，2为光电编码器，3为转台，4为加速度计，5为导电环。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种对称结构加速度计寻北仪，包括伺服电机1、光电编码器2、转台3、加速度计4以及导电环5。

伺服电机1的末端安装有光电编码器2，二者同轴组成为一体；

转台3为连杆型对称结构，以减小转动时的惯性离心力。

两个加速度计4呈对称布置安装在转台3上，且距转台轴线具有一定的偏距。

导电环5与伺服电机1输出轴固连，用于避免线缆缠绕。

伺服电机1输出轴与转台3固连，在伺服电机1的带动下转台3可匀速转动。通过加速度计测量参考点的绝对加速度进行方位角解算，其动态差分寻北方法如下：

第一步：选择加速度计敏感轴上某点为参考点，并建立地心惯性坐标系和地理坐标系；

地心惯性坐标系o_ix_iy_iz_i：坐标原点o_i选在地球的中心，o_iz_i轴沿地轴指向北极，o_ix_i轴在赤道平面内且指向本初子午线，o_iy_i轴按右手规则确定；

地理坐标系o_tx_ty_tz_t：坐标原点选在转台的转动中心，o_tx_t指东，o_ty_t指北，o_tz_t沿地垂线方向指天；

第二步：确定参考点相对地心惯性坐标系的绝对加速度的各加速度分项，包括相对加速度加速度a_r，牵连加速度a_e以及科里奥加速度a_c三部分；

第三步：根据加速度合成原理，确定加速度计寻北方程：

式中，g为重力加速度；ω_e为地球自转角速度；R为地球半径；ω_r为转台的自转角速度；

为纬度；l为加速度计敏感轴到转台轴线的距离；θ为北向角；

第四步：根据余弦信号的周期性，采集加速度计在0度，90度，180度，270度位置时的测量值；

0度位置：

90度位置：

180度位置：

270度位置：

第五步：以相位差为180度的两个方程相减并作比例运算，构造动态差分寻北算法，建立方位角解算方程：

其中，f_m1，f_m2，f_m3和f_m4分别表示加速度计在四个位置的测量值；θ表示北向方位角。

Claims (1)

1.一种动态差分寻北方法，该方法利用对称结构加速度计寻北仪，包括伺服电机(1)、光电编码器(2)、转台(3)、加速度计(4)以及导电环(5)，伺服电机(1)的末端安装有光电编码器(2)，伺服电机(1)与光电编码器(2)二者同轴组成为一体；转台(3)为连杆型对称结构，以减小转动时的惯性离心力，两个加速度计(4)呈对称布置安装在转台(3)上，且距转台轴线具有一定的偏距，导电环(5)与伺服电机(1)输出轴固连，用于避免线缆缠绕，伺服电机(1)输出轴与转台( 3) 固连，在伺服电机(1)的带动下转台(3)可匀速转动，通过加速度计测量参考点的绝对加速度进行方位角解算，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第一步：选择加速度计敏感轴上某点为参考点，并建立地心惯性坐标系ox_iy_iz_i和地理坐标系ox_ty_tz_t；

地心惯性坐标系ox_iy_iz_i：坐标原点o选在地球的中心，Z轴沿地轴指向北极，ox_i轴在赤道平面内且指向本初子午线，oy_i轴按右手规则确定；

地理坐标系ox_ty_tz_t：坐标原点选在转台的转动中心，ox_t指东，oy_t指北，oz_t沿地垂线方向指天；

第二步：确定参考点相对地心惯性坐标系的绝对加速度的各加速度分项，包括相对加速度加速度a_r，牵连加速度a_e以及科里奥加速度a_c三部分；

第三步：根据加速度合成原理，确定加速度计寻北方程：

式中，g为重力加速度；ω_e为地球自转角速度；R为地球半径；ω_r为转台的自转角速度；

为纬度；l为加速度计敏感轴到转台轴线的距离；θ为北向角；

第四步：根据余弦信号的周期性，采集加速度计在0度，90度，180度，270度位置时的测量值；

0度位置：

90度位置：

180度位置：

270度位置：

第五步：以相位差为180度的两个方程相减并作比例运算，构造动态差分寻北算法，建立方位角解算方程：

其中，f_m1，f_m2，f_m3和f_m4分别表示加速度计在四个位置的测量值；θ表示北向方位角。

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