CN107677295A - 一种飞行器惯性导航系统误差校准系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞行器惯性导航系统误差校准系统和方法，该系统包括双卫星天线测姿定向定位系统、光标对准装置、标定板组件以及数据处理显示终端，通过设置双卫星天线测姿定向定位系统中的两个卫星信号接收天线的主天线相位中心构成的直线与相应的机轴平行，并通过数据处理器获得飞行器的姿态角数据，数据处理显示终端用于处理、显示双卫星天线测姿定向定位系统的测量数据，作为校准飞行器惯性导航系统误差的参考值。

Description

一种飞行器惯性导航系统误差校准系统和方法
技术领域
本发明涉及飞行器惯性导航技术领域，尤其涉及一种用于飞行器惯性导航系统误差校准的系统和方法。
背景技术
惯性导航系统是飞行器飞行不可或缺的重要组件，惯性导航系统对飞行器飞行轨迹误差，起着至关重要的作用，其中惯性导航组件中惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，一般而言，飞行器的加速度计经过校准后基本能够保持较高的精度，而用于测量飞行器姿态、航向的陀螺仪往往经过一段时间会出现偏差，需要专用高精仪器(例如能够精确测量姿态的三轴转台)来校准，校准后的惯性导航系统在初始对准时，依然存在一定误差，称为惯性导航初始对准误差，此外，校准后的惯性导航系统安装在飞行器上，与飞行器机轴之间亦有一定偏差，即惯性导航系统安装误差，所述惯性导航系统初始对准误差和安装误差是飞行器在惯性导航系统(或惯性组合导航系统纯惯性条件下)导航误差的主要因素(或军用飞行器例如飞机武器攻击解算所需姿态测量输入的主要误差)，而惯性导航系统传感器漂移在飞行器几个小时的飞行时间内是次要因素，因此飞行器在起飞之前对惯性导航系统进行所述惯性导航系统初始对准误差和安装误差校准，将能够有效提升惯性导航精度或军用飞行器武器攻击解算精度。传统的惯性导航系统误差校准需要将飞行器顶平，然后读取惯性导航系统测量的飞行器俯仰角、横滚角值来测量惯性导航系统俯仰、横滚测量误差，通过更高精度航向测量仪器来测量飞行器航向，需要大量的设备、人工和时间，不方便用户进行惯性导航系统误差校准工作的开展。
发明内容
本发明旨在提供一种飞行器惯性导航系统误差校准系统和方法，能够方便地在起飞前对惯导系统误差进行校准，而对飞行器的姿态无任何限定要求。
具体地，本发明提供了一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，包括双卫星天线测姿定向定位系统、光标对准装置、标定板组件以及数据处理显示终端，双卫星天线测姿定向定位系统包括两个卫星信号接收天线、一个数据处理器以及将两个卫星信号接收天线与数据处理器连接的数据线缆，标定板组件包括第一标定板和第二标定板，双卫星天线测姿定向定位系统的两个卫星信号接收天线分别安装在两个标定板的背面，并以两个卫星信号接收天线的主天线相位中心为中心点、在标定板的正面相应地标示出十字中心点和以十字中心点为圆心的中心圆圈，光标对准装置用于标校两个标定板的位置，使得双卫星天线测姿定向定位系统中的两个卫星信号接收天线的主天线相位中心构成的直线与相应的机轴平行，数据处理器显示飞行器的姿态角数据，数据处理显示终端用于处理、显示双卫星天线测姿定向定位系统的测量数据，作为校准飞行器惯性导航系统误差的参考值。
优选地，第一标定板和第二标定板均包括调整结构和锁止机构。
优选地，中心圆圈的半径小于等于8mm。
优选地，所述数据处理显示终端与双卫星天线测姿定向定位系统中的数据处理器一体设计。
优选地，两个标定板之间的直线距离ΔL应满足ΔL≥ΔL0，其中ΔL0的取值，由用户对校准精度需求确定，在第一标定板上设有提示系统，包括无线通信接收终端以及警示装置，提示系统通过无线通信接收终端接收双卫星天线测姿定向定位系统的数据处理器发送的实时的两个卫星信号接收天线的距离信息ΔL，若ΔL≥ΔL0，警示系统给予警示，若警示系统没有给出上述警示，说明两个标定板的距离不符合要求，需要操作者调节两者间距以确保测量精度。
优选地，所述光标对准装置由姿态测量杆和激光发射器组成，姿态测量杆安装于飞行器机轴或与机轴平行的位置，以测量飞行器俯仰、航向姿态；并且安装于机体上与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，以测量横滚姿态，激光发射器光轴与测量杆保持一致或平行。
此时，利用上述飞行器惯性导航系统误差校准系统进行误差校准的方法具体为：打开激光发射器，调节标定板组件的位置，使激光发射器的光斑落入标定板组件的中心圆圈，读取此时双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器姿态角，与飞行器惯性导航系统测量的飞行器姿态角作对比，得出飞行器惯性导航系统的误差，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
优选地，所述光标对准装置包括光学瞄准装置和通信组件，光学瞄准装置安装于飞行器机轴或与机轴平行的位置，以测量飞行器俯仰、航向姿态；并且安装于机体上与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，以测量横滚姿态，光学瞄准装置带有十字瞄准线。
此时，利用上述飞行器惯性导航系统误差校准系统进行误差校准的方法具体为：操作人员观察光学瞄准装置，调节标定板组件的位置，使光学瞄准装置的十字瞄准线与标定板组件的十字中心点对准，读取此时双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器姿态角，与飞行器惯性导航系统测量的飞行器姿态角作对比，得出飞行器惯性导航系统的误差，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
采用本发明的技术方案，不需要将飞行器顶平才能校准惯性导航系统误差，极大的节省了人力物力，同时确保了校准精度，更加高效便捷。
附图说明
附图1是本发明的飞行器惯性导航系统的示意图；
附图2是本发明的飞行器惯性导航方法第一实施例的流程图；
附图3是本发明的飞行器惯性导航方法第二实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的飞行器惯性导航系统误差校准系统包括双卫星天线测姿定向定位系统、光标对准装置、标定板组件以及数据处理显示终端。
所述的双卫星天线测姿定向定位系统由两个卫星信号接收天线、一个数据处理器以及将两个卫星信号接收天线与数据处理器连接的数据线缆组成。优选地，卫星信号接收天线与数据处理器之间采用无线通信方式连接。优选地，数据处理器为可移动的手持终端。该双卫星天线测姿定向系统可以高精度地测量两个卫星信号接收天线主天线相位中心构成的直线的姿态、两个卫星信号接收天线主天线相位中心位置以及计算两个卫星信号接收天线之间的距离。该双卫星天线测姿定向定位系统在基线长(两个卫星信号接收天线之间距离)10米时，姿态测量精度优于0.02°(1σ)。
所述标定板组件包括第一标定标定板和第二标定板，第一标定板和第二标定板至少包括：调整结构和锁止机构。通过调整结构可以调整标定板的高度、方向(左右)和横滚(旋转)，该调整结构分为粗调和细调两档，以确保调节精度；当调整好标定板的位置后，通过锁止机构锁定该标定板的位置和姿态。
双卫星天线测姿定向定位系统的两个卫星信号接收天线分别安装在两个标定板的背面，优选地，安装在背面中心上，并且以两个卫星信号接收天线的主天线相位中心为中心点、在标定板的正面相应地标示出十字中心点和以十字中心点为圆心的中心圆圈。为保证精度，优选地，该圆圈直径小于等于8mm。
为保证精度，两个标定板之间的直线距离ΔL应满足ΔL≥ΔL0，其中ΔL0的取值，由用户对校准精度需求确定，如果用户的校准精度需求为σ°，则ΔL0的设置标准为航向0.2/σm、俯仰/横滚0.4/σm，优选地ΔL0≥10m。优选地，在第一标定板上还有提示系统，包括无线通信接收终端以及警示装置，该警示装置可以是声音装置和/或指示灯和/或显示装置。提示系统通过无线通信接收终端接收双卫星天线测姿定向定位系统的数据处理器发送的实时的两个卫星信号接收天线的距离信息ΔL，若ΔL≥ΔL0，警示系统给予警示，声音装置报警，和/或指示灯亮，和/或提示系统实时显示两个卫星接收天线之间的距离。若警示系统没有给出上述警示，说明两个标定板的距离不符合要求，需要操作者调节两者间距以确保测量精度。
所述的数据处理显示终端，能够处理、显示双卫星天线测姿定向定位系统的测量数据。为提高测量精度，优选地，数据处理显示终端能够记录一定测量时间段内(例如1min内)的测量数据，并进行数据处理(例如，剔除明显坏值，求取平均值)，处理后的数据作为测量值显示。为操作方便，优选地，与双卫星天线测姿定向定位系统中的数据处理器一体设计，即数据处理器带有数据处理显示终端，能够处理测量数据，并将其显示。
所述光标对准装置用于指示操作人员基于机身姿态调节两个标定板的位置，使其双卫星天线测姿定向定位系统中的两个卫星信号接收天线主天线相位中心构成的直线与相应的机轴平行。
在本发明的第一实施例中，所述光标对准装置由姿态测量杆和激光发射器组成。
所述的姿态测量杆安装于飞行器机轴或与机轴(如图1所示的X轴)平行的位置(测量飞行器俯仰、航向姿态)或机体上与飞行器纵向垂直面垂直线平行(如图1所示Z轴)的位置(测量横滚姿态)，在图1中以位置D标示。为保证测量精度，优选地，该姿态测量杆为螺纹杆，具有一定长度，在安装位置处设有与之配合的螺纹孔，螺纹杆以螺纹嵌套形式旋入该螺纹孔。
姿态测量杆上设有一个与该杆轴平行的安装孔，该安装孔与安装激光发射器的安装杆相匹配，以保证激光发射器光轴与测量杆保持一致或平行，优选地，安装激光器的安装杆与测量杆所设置与之配合的安装孔采用螺纹形式配合。
激光发射器与安装杆一体成形，所述激光发射器能够发出束散性极好的激光，优选地该激光发射器发射的激光束散角小于0.5mrad，优选地，激光发射器发射的激光为人眼可视激光。
在该实施例中，标定板优选地可反射激光，使激光发射器光斑在板上清晰显示。
可选地，标定板正面安装有激光感应器，该激光感应器中心正面板与卫星信号接收天线主天线相位中心位置相对应的标定板正面位置(即标示的十字中心点)重合，为保证精度，优选地，该激光感应器口径小于等于8mm。
本实施例的飞行器惯性导航系统误差校准方法如下：
测量飞行器俯仰、航向姿态时：其中一名操作人员A将激光发射器安装在姿态测量杆上，姿态测量杆安装在飞行器机轴或与机轴平行的位置，另一名操作人员B负责读取双卫星天线测姿定向定位系统测量数据、读取飞行器惯性导航系统数据以及修正飞行器惯性导航系统误差，如果读取飞行器惯性导航系统数据需要登入飞行器内部(如飞行器驾驶舱)，为防止人员登上飞行器会导致飞行器的姿态变化，从而导致读数偏差的测量误差，该操作人员在测量之前即需进入飞行器内部指定位置，并且测量时，该操作人员不能有大的动作以防止影响飞行器机体姿态。当操作人员B到达指定位置，操作人员A打开激光发射器，并将第一标定板置于飞行器机头前方距离L1(该距离根据飞行器所在场地确定，优选地15m～100m)位置，根据激光发射器在第一标定板上的光斑，置粗调档，粗调第一标定板高度和方向，使光斑中心尽量接近第一标定板正面以十字中心点为圆心的中心圆圈或激光感应器的位置，置细调档，微调第一标定板高度和方向，使激光发射器发射的激光光斑落入第一标定板正面的中心圆圈或激光感应器感光孔，当激光发射器发射的激光光斑落入第一标定板正面的中心圆圈或激光感应器感应到激光信号时，用锁止机构将第一标定板锁定。操作人员A将第二标定板置于飞行器机头前方距离L2位置，为保证精度，要求L1-L2≥ΔL0，其中ΔL0的取值，由用户对校准精度需求确定，如果用户的校准精度需求为σ°，则ΔL0的设置标准为航向0.2/σm、俯仰/横滚0.4/σm，优选地ΔL0≥10m。操作人员A按照调整第一标定板步骤，使得激光发射器发射的激光光斑落入第二标定板正面的中心圆圈或激光感应器感光孔，当激光发射器发射的激光光斑落入第二标定板正面的中心圆圈或激光感应器感应到激光信号时，用锁止机构将第二标定板锁定。此时数据处理显示终端可以读取出双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器俯仰角、航向角，然后，操作人员B基于双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器俯仰角和航向角，与飞行器惯性导航系统测量的飞行器俯仰角和航向角作对比，得出飞行器惯性导航系统的误差(由安装误差和对准误差构成)，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
测量飞行器横滚姿态时：姿态测量杆安装在与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，并沿姿态测量杆的延长线方向设置两个标定板，其余操作步骤方法同上。
在本发明的第二实施例中，所述光标对准装置包括光学瞄准装置和通信组件。
飞行器上位于机轴平行方向/机体纵向垂直面垂直线方向上设有光学瞄准装置(例如，直升机或固定翼飞机机头自带的光学瞄准装置，该光学瞄准装置与机轴平行方向/机体纵向垂直面垂直线方向严格平行)或者飞行器上位于机轴平行方向/机体纵向垂直面垂直线方向上设有安装光学瞄准组件的孔，本发明设有与该孔配合的光学瞄准装置，光学瞄准装置光轴(瞄准线)严格与飞行器上位于机轴方向/机体纵向垂直面垂直线方向平行。上述光学瞄准装置统称为本发明的光学瞄准装置。所述光学瞄准装置带有十字瞄准线。
所述通信组件用于操作人员之间的通信，可以是现有通信手段的任一种，例如手机、对讲机等。
在该实施例中，对应于卫星信号接收天线主天线相位中心位置的标定板正面标示出十字中心点和以十字中心点为圆心的中心圆圈。
本实施例的飞行器惯性导航系统误差校准方法如下：
测量飞行器俯仰、航向姿态时：其中一名操作人员A负责布置标定板，另一名操作人员B负责读取双卫星天线测姿定向定位系统测量数据、读取飞行器惯性导航系统数据以及修正飞行器惯性导航系统误差，如果读取飞行器惯性导航系统数据需要登入飞行器内部(如飞行器驾驶舱)，为防止人员登上飞行器，导致飞行器产生姿态变化，从而导致读数偏差的测量误差，该操作人员在测量之前即需进入飞行器内部指定位置，并且测量时，该操作人员不能有大的动作以防止影响飞行器机体姿态。操作人员C负责将光学瞄准装置安装在与飞行器机轴或与机轴平行的位置D，并观察光学瞄准装置。
当操作人员B到达指定位置、操作人员A将第一标定标定板置于飞行器机头前方距离L1(该距离根据飞行器所在场地确定，优选地15m～100m)位置，操作人员C负责观察光学瞄准装置，并与操作人员A保持通信，指挥操作人员A调整第一标定板，操作人员A置粗调档，粗调第一标定板高度和方向，使第一标定板正面的以十字中心点为圆心的中心圆圈尽量接近光学瞄准装置的十字瞄准线，之后置细调档，微调第一标定板高度和方向，使第一标定板正面的十字中心点与光学瞄准装置的十字瞄准线对准，用锁止机构将第一标定板锁定。操作人员A将第二标定板置于飞行器机头前方距离L2位置，为保证精度，要求L1-L2≥ΔL0，其中ΔL0的取值，由用户对校准精度需求确定，如果用户的校准精度需求为σ°，则ΔL0的设置标准为航向0.2/σm、俯仰/横滚0.4/σm，优选地ΔL0≥10m。操作人员A按照调整第一标定板步骤，使得第二标定板正面的十字中心点与光学瞄准装置的十字瞄准线对准，用锁止机构将第二标定板锁定。当操作人员C和A确定标定板已布置完毕，通过通信系统通知操作人员B读取数据，操作人员B在数据处理显示终端读取双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器俯仰角、航向角，然后，操作人员B读取飞行器惯性导航系统测量的飞行器俯仰角、航向角，对比飞行器惯性导航系统关于飞行器姿态测量读数与本发明提供系统关于该飞行器姿态测量读数，得出飞行器惯性导航系统误差，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
测量飞行器横滚姿态时：光学瞄准装置安装在与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，并沿该方向设置两个标定板，其余操作步骤方法同上。

Claims (9)

1.一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，包括双卫星天线测姿定向定位系统、光标对准装置、标定板组件以及数据处理显示终端，双卫星天线测姿定向定位系统包括两个卫星信号接收天线、一个数据处理器以及将两个卫星信号接收天线与数据处理器连接的数据线缆，标定板组件包括第一标定板和第二标定板，双卫星天线测姿定向定位系统的两个卫星信号接收天线分别安装在两个标定板的背面，并以两个卫星信号接收天线的主天线相位中心为中心点、在标定板的正面相应地标示出十字中心点和以十字中心点为圆心的中心圆圈，光标对准装置用于标校两个标定板的位置，使得双卫星天线测姿定向定位系统中的两个卫星信号接收天线的主天线相位中心构成的直线与相应的机轴平行，并通过数据处理器获得飞行器的姿态角数据，数据处理显示终端用于处理、显示双卫星天线测姿定向定位系统的测量数据，作为校准飞行器惯性导航系统误差的参考值。
2.如权利要求1所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，第一标定板和第二标定板均包括调整结构和锁止机构。
3.如权利要求1所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，中心圆圈的半径小于等于8mm。
4.如权利要求1所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，所述数据处理显示终端与双卫星天线测姿定向定位系统中的数据处理器一体设计。
5.如权利要求1所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，两个标定板之间的直线距离ΔL应满足ΔL≥ΔL0，其中ΔL0的取值，由用户对校准精度需求确定，在第一标定板上设有提示系统，包括无线通信接收终端以及警示装置，提示系统通过无线通信接收终端接收双卫星天线测姿定向定位系统的数据处理器发送的实时的两个卫星信号接收天线的距离信息ΔL，若ΔL≥ΔL0，警示系统给予警示，若警示系统没有给出上述警示，说明两个标定板的距离不符合要求，需要操作者调节两者间距以确保测量精度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，所述光标对准装置由姿态测量杆和激光发射器组成，姿态测量杆安装于飞行器机轴或与机轴平行的位置，以测量飞行器俯仰、航向姿态；并且安装于机体上与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，以测量横滚姿态，激光发射器光轴与测量杆保持一致或平行。
7.如权利要求1至5中任一项所述的一种飞行器惯性导航系统误差校准系统，其特征在于，所述光标对准装置包括光学瞄准装置和通信组件，光学瞄准装置安装于飞行器机轴或与机轴平行的位置，以测量飞行器俯仰、航向姿态；并且安装于机体上与飞行器纵向垂直面垂直线平行的位置，以测量横滚姿态，光学瞄准装置带有十字瞄准线。
8.一种利用如权利要求6所述的飞行器惯性导航系统误差校准系统进行误差校准的方法，其特征在于：
打开激光发射器，调节标定板组件的位置，使激光发射器的光斑落入标定板组件的中心圆圈，读取此时双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器姿态角，与飞行器惯性导航系统测量的飞行器姿态角作对比，得出飞行器惯性导航系统的误差，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
9.一种利用如权利要求7所述的飞行器惯性导航系统误差校准系统进行误差校准的方法，其特征在于：
操作人员观察光学瞄准装置，调节标定板组件的位置，使光学瞄准装置的十字瞄准线与标定板组件的十字中心点对准，读取此时双卫星天线测姿定向定位系统测量的飞行器姿态角，与飞行器惯性导航系统测量的飞行器姿态角作对比，得出飞行器惯性导航系统的误差，从而作为飞行器惯性导航系统固定误差修正值进行修正。
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