CN109029502A - 一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，包括如下步骤：1、测量惯性平台系统地理坐标系与载体坐标系之间的初始对准角度；2、测量惯性平台系统台体轴、内框架轴和外框架轴转动角度；3、给出石英加速度计各项误差系数值；4、将上述各个误差系数值带入石英加速度计输出值计算式中得出石英加速度计输出值。该方法将石英加速度计各项已知的误差系数带入到一种石英加速度计新型输出值计算方程中计算得到石英加速度计输出值。该方法相较于传统的计算方法，综合考虑了平台系统误差和石英加速度计自身仪表误差对石英加速度计输出值的影响，使得石英加速度计的输出值更加精确，为石英加速度计的误差补偿提供方便，且适用面广。

Description

一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，主要用于惯性系统误差标定的航天领域。

背景技术

惯性平台系统中，惯性器件，如石英加速度计输出值的计算方法决定了实际石英加速度计输出测量值与理论计算值之间残差的精度，而石英加速度计的残差值的精度量级直接影响了惯性器件的补偿与最终的导航精度。因此全面、精确的石英加速度计输出值计算方法对于导航系统的标定和补偿非常重要。

传统的石英加速度计输出值的计算方法，仅考虑了与石英加速度计自身有关的误差系数项，其计算方法如下：

其中，沿X,Y,Z方向石英加速度计输出计算值；K_ax，K_ay，K_az表示沿X,Y,Z方向石英加速度计的标度因数；k_0x、k_0y、k_0z表示石英加速度计偏置；k_yz，k_zx，k_xy，k_zy，k_xz，k_yz表示石英加速度计安装误差系数；a_x、a_y、a_z表示石英加速度计的视加速度；δK_axsign(a_x)、δK_aysign(a_y)、δK_azsign(a_z)表示标度因数不对称性误差。

由于在实际平台系统工作过程中，框架轴会不断地进行变换、转动，而伴随着由于框架的转动所激发出与框架角相关的传感器零偏以及轴端不正交误差角，这些误差项均会对石英加速度计的输出计算值造成影响。同时，在实际导航过程中，平台系统在三维空间中以载体坐标系为基准坐标系会相对于地理坐标系发生任意角度的转动，这部分转动引起的初始对准误差角同样会对石英加速度计的输出值产生直接的影响。因此，在进行计算石英加速度计的输出值时，仅按照传统的石英加速度计输出值的计算方法并不包括以上所提及的误差项，不能很全面地诠释实际石英加速度计精确的理论值。因此，将各个误差项整合到石英加速度计输出值的计算中非常重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，用于计算惯性平台系统石英加速度计输出值，其值不仅包括石英加速度计自身的仪表误差项，还包括由于平台转动过程而引入的误差项，具有全面性、综合性、精确性、通用性。

本发明的技术方案为：一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法，如下步骤：

(1)测量惯性平台系统地理坐标系L与载体坐标系b之间的三个初始对准角度，并计算得到地理坐标系L到载体坐标系b的旋转矩阵

(2)测量惯性平台系统三个框架轴的转动角度，并计算得到在考虑轴端不正交误差角和传感器零偏误差情形下的载体坐标系b与平台坐标系P之间的坐标变换矩阵

(3)获取石英加速度计各项误差系数值，包括与平台系统有关的误差系数，以及与石英加速度计器件本身有关的误差系数。

(4)计算石英加速度计加速度输出。

所述步骤(1)中三个初始对准角度包括：地理坐标系L与载体坐标系沿天向的旋转角度β、地理坐标系L与载体坐标系沿北向的旋转角度α、地理坐标系L与载体坐标系沿东向的旋转角度Ψ。

所述步骤(2)中三个框架轴的转动角度包括：外框架轴转动的角度γ，内框架轴转动的角度φ_x，台体轴Y轴转动的角度φ_y。

在步骤(1)中，地理坐标系L到载体坐标系b的旋转矩阵

具体计算公式如下：

所述步骤(3)中与平台系统有关的误差系数包括：地理坐标系L与载体坐标系b之间的初始对准角度误差Δα、Δβ、ΔΨ；平台系统框架轴端不正交误差角ρ_xy、ρ_xz、ρ_yx、ρ_yz、ρ_zx、ρ_zy；沿三个框架轴方向的误差角Δφ_x、Δφ_y、Δγ。

在步骤(2)中，载体坐标系b与平台坐标系p之间的坐标变换矩阵的计算方法，具体计算公式如下：

其中，c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₃₁、c₃₂、c₃₃的值如下：

所述步骤(3)中与石英加速度计器件本身有关的误差系数包括：石英加速度计沿三个坐标轴方向的零偏k_0x、k_0y、k_0z；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数K_ax、K_ay、K_az；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数非对称性误差δK_axsign(a_x)、δK_ay sign(a_y)、δK_az sign(a_z)；石英加速度计沿安装误差系数k_yx、k_zx、k_xy、k_zy、k_xz、k_xy。

在步骤(4)中，石英加速度计输出值的计算方法，其具体计算公式如下：

其中a_ipx、a_ipy、a_ipz分别表示石英加速度计的输出计算值；a_iLx、a_iLy、a_iLz分别表示在地理坐标系下的视加速度计值；g表示地球重力加速度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明综合考虑了平台系统误差和石英加速度计自身仪表误差，利用石英加速度计各项误差系数作为已知量计算得到石英加速度计的理论计算值。相比现有的计算方法，本发明的石英加速度计计算方法更准确、更全面、适用性更广；

附图说明

图1为载体坐标系与地理坐标系坐标轴的变换关系图；

图2为本发明方法的流程图。

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：

本发明提供的一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法，用于计算平台系统石英加速度计的输出值。

如图1所示的载体坐标系与地理坐标系的变换关系图。当载体坐标系与地理坐标系不重合时，两个坐标系之间存在一种相互变换关系。在空间中，载体坐标系相对于地理坐标系的变换可利用三次绕轴旋转得到。第一次，地理坐标系绕Y轴转动β角，地理坐标系由OX_LY_LZ_L坐标系变为OX′Y′Z′；第二次，地理坐标系绕X轴转动α角，地理坐标系由OX′Y′Z′坐标系变为OX"Y"Z"；第三次，地理坐标系绕Z轴转动γ角，地理坐标系由OX"Y"Z"坐标系变为OX_bY_bZ_b。

如图2所示，本发明提供的一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法的计算步骤如下：

(1)测量惯性平台系统地理坐标系L与载体坐标系b之间的三个初始对准角度，并计算得到地理坐标系L到载体坐标系b的旋转矩阵

三个初始对准角度包括：地理坐标系L与载体坐标系沿天向的旋转角度β、地理坐标系L与载体坐标系沿北向的旋转角度α、地理坐标系L与载体坐标系沿东向的旋转角度Ψ；

(2)测量惯性平台系统三个框架轴的转动角度，并计算得到在考虑轴端不正交误差角和传感器零偏误差情形下的载体坐标系b与平台坐标系P之间的坐标变换矩阵

三个框架轴的转动角度包括：外框架轴转动的角度γ，内框架轴转动的角度φ_x，台体轴Y轴转动的角度φ_y；

(3)获取石英加速度计各项误差系数值，包括与平台系统有关的误差系数，以及与石英加速度计器件本身有关的误差系数；

与平台系统有关的误差系数包括：地理坐标系L与载体坐标系b之间的初始对准角度误差Δα、Δβ、ΔΨ；平台系统框架轴端不正交误差角ρ_xy、ρ_xz、ρ_yx、ρ_yz、ρ_zx、ρ_zy；沿三个框架轴方向的误差角Δφ_x、Δφ_y、Δγ；

与石英加速度计器件本身有关的误差系数包括：石英加速度计沿三个坐标轴方向的零偏k_0x、k_0y、k_0z；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数K_ax、K_ay、K_az；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数非对称性误差δK_axsign(a_x)、δK_ay sign(a_y)、δK_az sign(a_z)；石英加速度计沿安装误差系数k_yx、k_zx、k_xy、k_zy、k_xz、k_xy。

(4)计算石英加速度计加速度输出。

上述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法，在步骤(1)中，地理坐标系L到基座(载体)坐标系b的旋转矩阵

具体计算公式如下：

上述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法，在步骤(2)中，载体坐标系b与平台坐标系p之间的坐标变换矩阵的计算方法，具体计算公式如下：

其中，c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₃₁、c₃₂、c₃₃的值如下：

上述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值的计算方法，在步骤(4)中，石英加速度计输出值的计算方法，其具体计算公式如下：

其中，

其中，D_ax，D_ay，D_az分别为石英加速度计仪表自身的误差项；δK_ax，δK_ay，δK_az表示沿X,Y,Z方向石英加速度计的标度因数；k_0x、k_0y、k_0z表示石英加速度计偏置；k_yz，k_zx，k_xy，k_zy，k_xz，k_yz表示石英加速度计安装误差系数；δK_axsign(a_x)、δK_aysign(a_y)、δK_azsign(a_z)表示标度因数不对称性误差。

因此，将(3)中的

其中，a_ipx、a_ipy、a_ipz分别表示石英加速度计的输出计算值；a_iLx、a_iLy、a_iLz分别表示在地理坐标系下的视加速度计值。

通过本发明计算得到石英加速度计的输出值，其可用于计算石英加速度计输出值与实际观测值之间的误差以及对石英加速度计中的误差系数项进行精确的误差补偿。

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。

Claims (8)

1.一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于如下步骤：

(1)测量惯性平台系统地理坐标系L与载体坐标系b之间的三个初始对准角度，并计算得到地理坐标系L到载体坐标系b的旋转矩阵

(2)测量惯性平台系统三个框架轴的转动角度，并计算得到在考虑轴端不正交误差角和传感器零偏误差情形下的载体坐标系b与平台坐标系P之间的坐标变换矩阵

(3)获取石英加速度计各项误差系数值，包括与平台系统有关的误差系数，以及与石英加速度计器件本身有关的误差系数；

(4)计算石英加速度计加速度输出。

2.根据权利要求1所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中三个初始对准角度包括：地理坐标系L与载体坐标系沿天向的旋转角度β、地理坐标系L与载体坐标系沿北向的旋转角度α、地理坐标系L与载体坐标系沿东向的旋转角度Ψ。

3.根据权利要求1所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中三个框架轴的转动角度包括：外框架轴转动的角度γ，内框架轴转动的角度φ_x，台体轴Y轴转动的角度φ_y。

4.根据权利要求2所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：在步骤(1)中，地理坐标系L到载体坐标系b的旋转矩阵

具体计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中与平台系统有关的误差系数包括：地理坐标系L与载体坐标系b之间的初始对准角度误差Δα、Δβ、ΔΨ；平台系统框架轴端不正交误差角ρ_xy、ρ_xz、ρ_yx、ρ_yz、ρ_zx、ρ_zy；沿三个框架轴方向的误差角Δφ_x、Δφ_y、Δγ。

6.根据权利要求5所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：在步骤(2)中，载体坐标系b与平台坐标系p之间的坐标变换矩阵的计算方法，具体计算公式如下：

其中，c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₃₁、c₃₂、c₃₃的值如下：

。

7.根据权利要求6所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中与石英加速度计器件本身有关的误差系数包括：石英加速度计沿三个坐标轴方向的零偏k_0x、k_0y、k_0z；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数K_ax、K_ay、K_az；石英加速度计沿三个坐标轴方向的标度因数非对称性误差δK_axsign(a_x)、δK_ay sign(a_y)、δK_azsign(a_z)；石英加速度计沿安装误差系数k_yx、k_zx、k_xy、k_zy、k_xz、k_xy。

8.根据权利要求7所述的一种惯性平台系统石英加速度计输出值确定方法，其特征在于：在步骤(4)中，石英加速度计输出值的计算方法，其具体计算公式如下：

其中a_ipx、a_ipy、a_ipz分别表示石英加速度计的输出计算值；a_iLx、a_iLy、a_iLz分别表示在地理坐标系下的视加速度计值；g表示地球重力加速度。