CN107255477B - 一种仪表冗余惯性平台系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仪表冗余惯性平台系统，包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和1个两自由度动力调谐陀螺仪，3个正交安装的单自由度积分陀螺仪控制台体的轴端电机，使台体稳定在惯性空间，两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态，台体上还包括加速度计组合，加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度斜置安装，该惯性平台系统具有全姿态、大机动、高可靠、高精度的优点，可以满足载体的全姿态运动的使用要求。

Description

一种仪表冗余惯性平台系统
技术领域
本发明涉及一种仪表冗余惯性平台系统，尤其涉及一种适应载体全姿态机动运行的惯性平台系统，可适用于要求全姿态的弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，属于惯性测量技术领域。
背景技术
在弹道导弹或战斗机等要求大机动的载体上，高精度惯性平台系统的陀螺仪目前采用液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪、三浮陀螺仪和动力调谐陀螺仪，平台框架结构为两框架三轴形式或三框架四轴形式。
在中国宇航出版社《惯性器件》公开的平台方案中，都采用3个单自由度积分陀螺仪方案或2个两自由度动力调谐陀螺仪方案，这种方案的优点是仪表配置简单，结构不复杂，但其缺点是不能满足载体的全姿态运动，比如，两框架三轴平台在内框架角度工作于90°时或三框架四轴平台的外框架角度工作于90°时，都会引起框架锁定，从而引起台体相对惯性空间转动。
为避免框架锁定的发生，目前的解决方案是限制载体的运动轨迹，比如，弹道式导弹的轨迹为抛物线，其偏航角变化不大，因此，可使两框架三轴平台的内框架角敏感载体的偏航角。
但是，这种限制载体轨迹的方案越来越不能满足大机动、快速响应的发展趋势，为此，迫切需要研究惯性平台不受载体运动影响的全姿态方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种仪表冗余惯性平台系统，该惯性平台系统具有全姿态、大机动、高可靠、高精度的优点，可以满足载体的全姿态运动的使用要求。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种仪表冗余惯性平台系统，包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，其特征在于：所述陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和1个两自由度动力调谐陀螺仪，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪控制台体的轴端电机，使台体稳定在惯性空间，所述1个两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。
在上述惯性平台系统中，所述台体上还包括加速度计组合，所述加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计在所述加速度计输入轴坐标系中斜置安装；所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXPYPZP重合。
在上述惯性平台系统中，所述第4个斜置安装的石英加速度计的输入轴与其他3个石英加速度计的输入轴的夹角相同。
在上述惯性平台系统中，所述夹角的余弦值的绝对值为
在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪，其中1个陀螺仪的输入轴与台体坐标系OXPYPZP中的台体轴ZP平行，另外2个陀螺仪的输入轴分别与台体轴ZP垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。
在上述惯性平台系统中，所述两自由度动力调谐陀螺仪的自转轴与台体坐标系OXPYPZP中的台体轴ZP平行，2个输入轴分别与其中2个单自由度积分陀螺仪的输入轴平行。
在上述惯性平台系统中，所述两自由度动力调谐陀螺仪包含再平衡回路，所述两自由度动力调谐陀螺仪与再平衡回路共同作用测量出台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态。
在上述惯性平台系统中，所述两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态的具体方法如下：
(1)给出四元数的初值λ、ρ1、ρ2、ρ3；
(2)台体稳定在惯性空间时，取且台体相对惯性空间转动时，取 和由两自由度动力调谐陀螺仪测量得到；
其中：为台体坐标系OXPYPZP中台体ZP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体XP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体YP轴的角速度；
(3)由如下姿态更新方程得到一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3：
(4)根据所述一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3得到台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵具体如下：
(5)下一导航时刻，将步骤(3)得到的一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3作为四元数的初值，重新返回步骤(2)，依此循环，直至导航任务结束。
在上述惯性平台系统中，所述台体上的4个石英加速度计，当其中任意一个石英加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量。
在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪为液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明惯性平台系统陀螺仪组合采用3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和1个动力调谐陀螺仪(含再平衡回路)的混合工作方式，作为平台伺服回路的台体角运动敏感元件以控制轴端电机，使台体稳定在惯性空间或提供已知的相对惯性空间运动的姿态信息；本发明采用不同类型陀螺仪的混合式工作方式实现了对台体角速率和角位置的测量，可满足载体的全姿态运动和高可靠性的使用要求；
(2)、本发明采用陀螺仪仪表冗余的方法，在单自由度积分陀螺仪工作失效时，可采用动力调谐陀螺仪作为敏感元件控制台体，从而提高了惯性测量系统的可靠性；
(3)、本发明采用石英加速度计冗余方法，在原有三个加速度计的基础上，增加一个斜置安装的加速度计，当其中任意1个加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计重构配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量，该方法实现了石英加速度计故障诊断与容错处理，提高了系统的可靠性水平，此外本发明还给出了斜置加速度计的最佳安装方式，进一步提高了平台系统的性能和可靠性。
(4)、本发明仪表冗余惯性平台系统，可适用于要求全姿态的弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，具有广阔的应用领域和应用前景。
附图说明
图1为本发明仪表冗余惯性平台系统组成示意图；
图2为本发明各陀螺仪、加速度计取向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明惯性平台系统组成示意图，本发明仪表冗余惯性平台系统包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和1个两自由度动力调谐陀螺仪，该两自由度动力调谐陀螺仪含再平衡回路。如图1所示，3个正交安装的单自由度积分陀螺仪分别为Gx、Gy和Gz，两自由度动力调谐陀螺仪为Gd。3个正交安装的单自由度积分陀螺仪作为惯性平台系统伺服回路的台体角运动敏感元件，控制台体的轴端电机，在稳定回路工作时使台体稳定在惯性空间，两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间运动的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态，即台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。3个正交安装的单自由度积分陀螺仪可以为液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪。
如图2所示为本发明各陀螺仪、加速度计取向示意图，3个正交安装的单自由度积分陀螺仪Gx、Gy和Gz，其中1个陀螺仪Gz的输入轴Iz与台体坐标系OXPYPZP中的台体轴ZP平行，另外2个陀螺仪Gx、Gy的输入轴Ix、Iy分别与台体轴ZP垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。单自由度积分陀螺仪Gx、Gy和Gz的输出轴分别为Ox、Oy和Oz。台体坐标系OXPYPZP中的OZP轴与台体的旋转轴重合。
1个两自由度动力调谐陀螺仪Gd的自转轴与台体坐标系OXPYPZP中的台体轴ZP平行，2个输入轴分别与其中2个单自由度积分陀螺仪Gx、Gy的输入轴Ix、Iy平行。两自由度动力调谐陀螺仪包含再平衡回路，两自由度动力调谐陀螺仪与再平衡回路共同作用测量出台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态，即给出台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵，具体方法如下：
(1)给出四元数的初值λ、ρ1、ρ2、ρ3；
(2)台体稳定在惯性空间时，取且而台体相对惯性空间转动时，取 和由两自由度动力调谐陀螺仪测量得到；
其中：为台体坐标系OXPYPZP中台体ZP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体XP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体YP轴的角速度。
(3)由如下姿态更新方程得到一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3：
(4)根据所述一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3得到当前导航时刻台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵具体方法如下：
(5)下一导航时刻，将步骤(3)得到的一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3作为四元数的初值，重新返回步骤(2)，即重复步骤(2)～(4)，得到又一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3，进一步得到下一导航时刻台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵之后再返回步骤(2)，依此循环，直到导航任务结束，得到导航任务过程中不同导航时刻台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。
若上述步骤(2)台体稳定在惯性空间时，取且则循环计算过程中四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3始终为设定的初值，即所有导航时刻，四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3为设定初值不变，台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵唯一确定。
台体上还包括加速度计组合，加速度计组合用于测量台体的加速度信息，本发明中加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计Ax、Ay和Az正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计Ad在该加速度计输入轴坐标系中斜置安装，如图1所示。所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXPYPZP重合。斜置安装的石英加速度计Ad可实现监测功能，当正交安装的加速度计存在故障时，及时判断出故障现象并利用斜置安装的石英加速度计Ad代替故障加速度计输出比力信息，保证载体导航信息的持续稳定输出。如图2所示，3个石英加速度计Ax、Ay和Az的输入轴分别为Ix、Iy、Iz，输出轴分别为Ox、Oy、Oz，摆轴分别为Px、Py、Pz，石英加速度计Ad的输入轴、输出轴和摆轴分别为IR、OR、PR。
本发明中第4个斜置安装的石英加速度计Ad的输入轴与其他3个石英加速度计Ax、Ay和Az的输入轴的夹角相同，优选该夹角的余弦值的绝对值为
如图1所示，为保持台体相对惯性空间稳定，需要利用3个单自由度积分陀螺仪的输出信息以及各框架角度信息，并经信号解耦后使系统由多变量交链耦合系统变为独立的单输入输出回路，解耦后的控制器作用到各框架轴端的力矩电机。但在框架锁定时，台体相对惯性空间转动，动力调谐陀螺仪敏感到转动的角速度根据本发明专利就可求得台体相对惯性坐标系的坐标变换矩阵，进一步由坐标变换矩阵可求得三个姿态角。同时，4个石英加速度计测量的比力经容错与转换后得到台体坐标系的三维正交的视加速度值，经坐标变换后可得导航系的速度和位置参数，用于导弹武器的制导。
本发明仪表冗余惯性平台系统，陀螺仪组合采用3个正交安装的单自由度积分陀螺仪(液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪)和1个动力调谐陀螺仪(含再平衡回路)的混合工作方式，作为平台伺服回路的台体角运动敏感元件以控制轴端电机，使台体稳定在惯性空间或提供已知的相对惯性空间运动的姿态信息。
当平台3个单自由度积分陀螺仪正常工作使台体稳定在惯性空间时，本发明仪表冗余惯性平台系统工作在惯性平台导航方式，可以输出高精度的载体导航信息，当平台环架失去自由度出现失锁现象时，台体无法稳定在惯性空间，此时利用动力调谐陀螺仪敏感到的台体角运动信息进行捷联解算，从而保证载体导航信息的持续稳定输出。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种仪表冗余惯性平台系统，其特征在于：包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，其特征在于：所述陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和1个两自由度动力调谐陀螺仪，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪控制台体的轴端电机，使台体稳定在惯性空间，所述1个两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵；
所述两自由度动力调谐陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态的具体方法如下：
(1)给出四元数的初值λ、ρ1、ρ2、ρ3；
(2)台体稳定在惯性空间时，取且台体相对惯性空间转动时，取和由两自由度动力调谐陀螺仪测量得到；
其中：为台体坐标系OXPYPZP中台体ZP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体XP轴的角速度，为台体坐标系OXPYPZP中台体YP轴的角速度；
(3)由如下姿态更新方程得到一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3：
(4)根据所述一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3得到台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵具体如下：
(5)下一导航时刻，将步骤(3)得到的一组新的四元数λ、ρ1、ρ2、ρ3作为四元数的初值，重新返回步骤(2)，依此循环，直至导航任务结束。
2.根据权利要求1所述的惯性平台系统，其特征在于：所述台体上还包括加速度计组合，所述加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计在所述加速度计输入轴坐标系中斜置安装；所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXPYPZP重合。
3.根据权利要求2所述的惯性平台系统，其特征在于：所述第4个斜置安装的石英加速度计的输入轴与其他3个石英加速度计的输入轴的夹角相同。
4.根据权利要求3所述的惯性平台系统，其特征在于：所述夹角的余弦值的绝对值为
5.根据权利要求1所述的惯性平台系统，其特征在于：所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪，其中1个陀螺仪的输入轴与台体坐标系OXPYPZP中的台体ZP轴平行，另外2个陀螺仪的输入轴分别与台体ZP轴垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。
6.根据权利要求1所述的惯性平台系统，其特征在于：所述两自由度动力调谐陀螺仪的自转轴与台体坐标系OXPYPZP中的台体ZP轴平行，2个输入轴分别与其中2个单自由度积分陀螺仪的输入轴平行。
7.根据权利要求5所述的惯性平台系统，其特征在于：所述两自由度动力调谐陀螺仪包含再平衡回路，所述两自由度动力调谐陀螺仪与再平衡回路共同作用测量出台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态。
8.根据权利要求2-4之一所述的惯性平台系统，其特征在于：所述台体上的4个石英加速度计，当其中任意一个石英加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量。
9.根据权利要求1-7之一所述的惯性平台系统，其特征在于：所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪为液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪中任意一种或几种组合。
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