CN108592878A - 海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，过程为：在海洋/航空重力仪平台无控制的情况下，调整海洋/航空重力仪平台中重力测量平台的台面使其保持水平并锁紧；采集惯性测量单元中三个加速度计测量的数据；解除对重力测量平台的锁紧，在重力测量平台的台面与水平面存在偏角的情况下，采集惯性测量单元中三个加速度计测量的数据，根据最小二乘法计算重力测量平台x轴与水平面的夹角β、重力测量平台y轴与水平面的夹角α。本发明使用重力仪平台本身的惯性测量单元就能实现重力仪平台平台静态水平倾角测量的目的，不需要额外的测量装置，节约成本，操作简单，对光学条件和测量环境要求低。
Description
技术领域
本发明涉及重力仪平台水平倾角测量领域，具体涉及一种海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法。
背景技术
海洋/航空重力仪平台能够为重力仪提供稳定的水平基准，以保证重力传感器在工作中保持稳定的垂直指向。
海洋/航空重力仪平台静态水平倾角测量是平台初始姿态误差标定中不可或缺的重要过程，也是平台控制精度的重要判断依据。光学自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量的重要测量仪器，在平台式海洋重力仪的静态姿态精度检测中发挥着重大作用。但光学自准直仪的使用需要比较好的光学环境，而且对测量装置旋转轴线与自准直仪测量线的平行度、与反光面平行度、反光面的平面度、自准直仪出射光束平行度、反光面与自准直仪中心对准情况等环境要求较高，操作比较复杂，耗费时间长。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种操作简单、对工作环境要求低的海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法。
本发明采用的技术方案是：一种海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在海洋/航空重力仪平台无控制的情况下，调整海洋/航空重力仪平台中重力测量平台的台面使其保持水平并锁紧；
步骤2：采集惯性测量单元中三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，用向量分别记为ax0、ay0、az0；
步骤3：利用向量ax0、ay0、az0，根据最小二乘法分别标定出加速度计Ax的零偏加速度计Ay的零偏和加速度计Az的零偏与当地重力值g之和
步骤4：解除对重力测量平台的锁紧，启动海洋/航空重力仪平台的控制系统，控制重力测量平台转动，使重力测量平台的台面偏离水平位置；
步骤5：在重力测量平台的台面与水平面存在偏角的情况下，采集惯性测量单元中三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，用向量分别记为ax、ay、az，向量ax的每个元素减去加速度计Ax的零偏得到的向量记为向量ay的每个元素减去加速度计Ay的零偏得到的向量记为向量az的每个元素减去加速度计Az的零偏和当地重力值g之和，得到的向量记为
步骤6：利用向量根据最小二乘法计算当地重力值的估计值g*；
步骤7：利用向量和当地重力的估计值g*，根据最小二乘法计算重力测量平台x轴与水平面的夹角β；利用向量和当地重力估计值g*，根据最小二乘法估计出平台y轴与水平面的夹角α。
进一步地，所述加速度计Ax的零偏的计算公式为：其中ax0(i)表示向量ax0中的第i个元素；所述加速度计Ay的零偏的计算公式为：其中ay0(i)表示向量ay0中的第i个元素；所述加速度计Az的零偏与当地重力值g之和的计算公式为：其中az0(i)表示向量az0中的第i个元素。
进一步地，所述当地重力值g的估计值g*的计算公式为：
更进一步地，所述夹角β的计算公式为：其中表示向量中的第i个元素；所述夹角α的计算公式为：其中表示向量中的第i个元素。
本发明的有益效果是：使用重力仪平台本身的惯性测量单元就能实现重力仪平台平台静态水平倾角测量的目的，不需要额外的测量装置，节约成本，操作简单，对光学条件和测量环境要求低。
附图说明
图1为本发明中海洋/航空重力仪平台系统结构框图。
图2为本发明中惯性测量单元中加速度计安装示意图。
图3为本发明中惯性测量单元在海洋/航空重力仪平台上的安装示意图。
图4为本发明中定义的载体坐标系示意图。
其中，1-上位机、2-数字信号处理器、3-功率放大器、4-俯仰轴力矩电机、5-横滚轴力矩电机、6-重力测量平台、6.1-平台外框架、6.2-平台内框架、6.3-平台台面、7-惯性测量单元、8-接口电路、9-当地水平坐标系、10-载体坐标系(即定义在惯性测量单元上的坐标系)、11-加速度计、12.1-俯仰轴水泡、12.2-横滚轴水泡。
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的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1-4所示，本发明的海洋/航空重力仪平台系统，它包括上位机1、数字信号处理器2、功率放大器3、俯仰轴力矩电机4、横滚轴力矩电机5、重力测量平台6，其中，所述重力测量平台包括在俯仰轴力矩电机4驱动下能够转动的平台外框架6.1、在横滚轴力矩电机5驱动下能够转动的平台内框架6.2、固连在平台内框架6.2上的平台台面6.3、固定在平台面板上的惯性测量单元7、固定在平台外框架6.1上的俯仰轴水泡12.1、固定在平台内框架6.2上的横滚轴水泡12.2，所述上位机1的通信端连接数字信号处理器2的通信端，数字信号处理器2的俯仰轴力矩电机控制信号输出端和横滚轴力矩电机控制信号输出端通过功率放大器3连接俯仰轴力矩电机4和横滚轴力矩电机5的控制信号输入端，所述惯性测量单元7的信号输出端通过接口电路8连接数字信号处理器2的输入端，所述惯性测量单元7中包含三个正交安装的加速度计11(Ax、Ay、Az)。
本发明定义了当地水平坐标系9，原点O位于重力仪平台所在点，z轴沿当地参考椭球的法线指向天顶，x轴、y轴均与z轴垂直，即在当地水平面内，x轴沿当地纬度线指向正东，y轴沿当地子午线指向正北。定义载体坐标系10，原点Ob位于惯导中心，xb轴为纵轴指向右，yb轴为横轴指向前，xbybzb构成右手坐标系。加速度计11的安装与载体坐标系Ob-xbybzb一致，加速度计Ax、Ay、Az的敏感轴分别与xb轴、yb轴、zb轴重合。
上述技术方案中，数字信号处理器2采用TI公司浮点型芯片TMS320F28335，它具备32位浮点处理单元、150MHz的数据处理能力、三个RS232串行接口等特性。数字信号处理器2主要实现惯性测量单元7数据的高速采集、解码，伺服控制程序实现，输出相应的控制电压及与上位机通信。
本发明的海洋/航空重力仪平台静态水平倾角测量方法包括如下步骤：
步骤1：在海洋/航空重力仪平台无控制的情况下，通过观察水泡将平台台面6.3手动调平，并利用锁紧装置在俯仰轴方向和横滚轴方向锁紧。
步骤2：采集三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，采集的数据用向量分别记为ax0、ay0、az0。
步骤3：利用加速度计Ax的测量数据ax0，根据最小二乘法标定出加速度计Ax的零偏，记为 其中ax0(i)表示向量ax0中的第i个元素；同理，利用加速度计Ay的测量数据ay0标定出加速度计Ay的零偏，记为 其中ay0(i)表示向量ay0中的第i个元素；利用加速度计Az的测量数据az0标定出加速度计Az的零偏与当地重力值g之和，记为 其中az0(i)表示向量az0中的第i个元素。
步骤4：去除海洋/航空重力仪平台俯仰轴方向和横滚轴方向的锁紧装置，启动控制系统，俯仰轴力矩电机4和横滚轴力矩电机5在控制信号下驱动重力测量平台6转动。
步骤5：在重力测量平台的台面与水平面存在偏角的情况下，采集三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，采集的数据用向量分别记为ax、ay、az；向量ax的每个元素减去加速度计Ax的零偏得到的向量记为 其中，表示向量中的第i个元素，ax(i)表示向量ax中的第i个元素；向量ay的每个元素减去加速度计Ay的零偏得到的向量记为 其中，表示向量中的第i个元素，ay(i)表示向量ay中的第i个元素；向量az的每个元素减去加速度计Az的零偏和当地重力值g之和，得到的向量记为其中，表示向量中的第i个元素，az(i)表示向量az中的第i个元素。
步骤6：利用向量根据最小二乘法计算当地重力值的估计值g*，
步骤7：利用向量和当地重力的估计值g*，根据最小二乘法计算重力测量平台x轴与水平面的夹角β：其中表示向量中的第i个元素；利用向量和当地重力估计值g*，根据最小二乘法估计出平台y轴与水平面的夹角α：其中表示向量中的第i个元素。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在海洋/航空重力仪平台无控制的情况下，调整海洋/航空重力仪平台中重力测量平台的台面使其保持水平并锁紧；
步骤2：采集惯性测量单元中三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，用向量分别记为ax0、ay0、az0；
步骤3：利用向量ax0、ay0、az0，根据最小二乘法分别标定出加速度计Ax的零偏▽x、加速度计Ay的零偏▽y和加速度计Az的零偏与当地重力值g之和▽z+g；
步骤4：解除对重力测量平台的锁紧，启动海洋/航空重力仪平台的控制系统，控制重力测量平台转动，使重力测量平台的台面偏离水平位置；
步骤5：在重力测量平台的台面与水平面存在偏角的情况下，采集惯性测量单元中三个加速度计Ax、Ay、Az测量的数据，用向量分别记为ax、ay、az，向量ax的每个元素减去加速度计Ax的零偏▽x，得到的向量记为向量ay的每个元素减去加速度计Ay的零偏▽y，得到的向量记为向量az的每个元素减去加速度计Az的零偏▽z和当地重力值g之和，得到的向量记为
步骤6：利用向量根据最小二乘法计算当地重力值的估计值g*；
步骤7：利用向量和当地重力的估计值g*，根据最小二乘法计算重力测量平台x轴与水平面的夹角β；利用向量和当地重力估计值g*，根据最小二乘法估计出平台y轴与水平面的夹角α。
2.根据权利要求1所述的海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，其特征在于：所述加速度计Ax的零偏▽x的计算公式为：其中ax0(i)表示向量ax0中的第i个元素；所述加速度计Ay的零偏▽y的计算公式为：其中ay0(i)表示向量ay0中的第i个元素；所述加速度计Az的零偏▽x与当地重力值g之和▽z+g的计算公式为：其中az0(i)表示向量az0中的第i个元素。
3.根据权利要求1所述的海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，其特征在于：所述当地重力值g的估计值g*的计算公式为：
4.根据权利要求1所述的海洋和航空重力仪平台静态水平倾角的测量方法，其特征在于：所述夹角β的计算公式为：其中表示向量中的第i个元素；所述夹角α的计算公式为：其中表示向量中的第i个元素。
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