CN109282804B - 一种单轴光纤陀螺寻北算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性寻北定向测量领域，具体涉及一种单轴光纤陀螺寻北算法。具体包括如下步骤：采集四个位置的陀螺、加速度计数据；然后解算出粗寻北值；再解算出精寻北值。相应的寻北装置包括采集模块、控制模块、解算模块和通信模块，加速度计信号由A/D采样模块进行信号采集，而光纤陀螺输出则直接通过串口采集，采集的加速度计信号与光纤陀螺信号被送给控制模块，经过控制模块的初步处理再传送给解算模块，最终由解算模块运用寻北算法解算出寻北结果并传送给控制模块，控制模块再通过串口通信模块将结果发出，其他设备可通过串口通信模块与寻北设备进行通信，本发明精度更高，稳定行更好，应用前景广阔。

Description

一种单轴光纤陀螺寻北算法

技术领域

本发明属于惯性寻北定向测量领域，具体涉及一种单轴光纤陀螺寻北算法。

背景技术

光纤陀螺是基于Sagnac效应的新一代角速率传感器，寻北定向是光纤陀螺的重要应用之一。在军事领域，陀螺寻北仪为武器系统快速、机动、精确打击提供了保障；在民用领域，陀螺寻北仪为矿山开采、资源勘测、隧道施工等提供了方位基准。其应用前景越来越广阔。寻北技术通常情况下是采用静态寻北方案，即在某几个位置处采集陀螺数据，根据不同位置陀螺敏感的地球自转角速度的分量，列出方程求解北向夹角。但存在以下缺陷：现有的寻北仪一般采用机械陀螺作为寻北核心部件，但机械陀螺存在可靠性差，寿命短，容易受加速度影响，导致测试精度不够，稳定性不好；现有的寻北仪一般采用单陀螺和双加速度计，增大了系统的体积，也增加了制造成本；寻北仪的精度与寻北位置的准确性有很大关系，现有寻北仪系统采用光电编码器来确定转位系统的四个位置，保证寻北位置的准确性，但光电编码器存在体积大，价格高的缺陷；同时光电编码器在使用时需要安装在转轴轴心处，故提高了寻北仪装置整体结构设计的难度，最终导致寻北仪具有体积大，成本高的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高的单轴光纤陀螺寻北算法。

一种单轴光纤陀螺寻北算法，具体包括如下步骤：

步骤1、采集四个位置的陀螺、加速度计数据；

步骤2、根据步骤1数据解算出粗寻北值；

步骤3、解算出精寻北值。

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、寻北仪把初始位置作为第一个位置并在这个位置静止采集数据；

步骤1.2、采集一段时间数据后，寻北仪顺时针旋转90°到达第二个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.3、第二个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第三个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.4、第三个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第四个位置并在此位置采集同样时长的数据。

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、运用上面四个位置的数据，将陀螺仪测得的其敏感轴上的地球自转角速度的分量用如下公式表示：

其中

为载体坐标系下角速度三轴分量，ω_ie＝15.0411°/h，为地球自转角速度，L为地理纬度，α，θ，γ分别为航向角，俯仰角和横滚角；

步骤2.2、取陀螺敏感轴方向为东向，分别用(0)、(1)表示起始位置和终止位置且这两个位置相距180°，则有如下关系式；

步骤2.3、求出俯仰角与横滚角，公式如下：

其中

为载体坐标系下加速度在X轴，Y轴的分量；

步骤2.4、将式(2)与式(3)作差整理得：

A＝Bsinα+Ccosα (5)

其中

B＝cosγ₀+cosγ₁ (7)

C＝sinγ₀sinθ₀+sinγ₁sinθ₁ (8)

步骤2.5、求出航向角α，公式如下：

步骤2.6、二、三位置解得一个寻北值α₁；二，四位置解得一个寻北值α₂，通过下式将两个寻北值加权平均求粗寻北值：

α＝cos²α₁·α₁+cos²α₂·α₂ (10)

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、根据步骤2解算出的粗寻北值使寻北仪精寻北的初始位置在地理西向，以此为精寻北第一个位置并采集一段时间数据，采集完成后使寻北仪顺时针旋转180°到达第二个位置，并在此位置上采集同样时长的数据；

步骤3.2、根据上面两个位置的数据解算出精寻北值，寻北解算公式与步骤2中一样，将粗寻北值与精寻北值相加便得到最终的寻北结果。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种粗，精分段式寻北的方法，相对于传统四位置寻北算法，传统四位置寻北算法解算出的结果收敛性不如分段式寻北；另一方面，本发明精度更高，稳定行更好，应用前景广阔。

附图说明

图1为光纤陀螺寻北的基本原理图；

图2为初始位置为1时分段式寻北算法效果比较图；

图3为初始位置为2时分段式寻北算法效果比较图；

图4为初始位置为3时分段式寻北算法效果比较图；

图5为初始位置为4时分段式寻北算法效果比较图；

图6为全温条件下分段式寻北算法效果比较图；

图7为全温温度曲线图；

图8为单轴光纤陀螺寻北算法的装置框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如附图1所示，为光纤陀螺寻北的基本原理图；如图所示地球自转角速率在地理北向上的分量为ω_ecosL,设光纤陀螺测得的角速率为ω_g，则可以得到寻北值为：

图2，图3，图4,图5给出了这两种算法的寻北结果，这4幅图是在四个不同的初始位置。以图2的初始位置为基准，图3，图4，图5的初始位置分别是在图2的初始位置上顺时针旋转90°，180°，270°得到。每个位置下做6次寻北，可以看到：

在每个初始位置下，比起分段式的寻北方案，传统四位置寻北解算出的结果收敛性不如分段式寻北。图2中传统四位置寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.031°，分段式寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.015°。图3中传统四位置寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.049°，分段式寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.012°。图4中传统四位置寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.045°，分段式寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.016°。图5中传统四位置寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.042°，分段式寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.009°。四个初始位置下的传统四位置寻北均值分别为：117.275°，207.300°，297.320°，27.321°。而次四个初始位置下分段式寻北均值分别为：117.317°，207.326°，297.304°，27.297°。若将图3,4,5三个位置的寻北均值换算到图2位置处则分别有：四个初始位置下传统四位置寻北均值为117.275°，117.300°，117.320°，117.321°，其均值极差为0.046°。四个位置下分段式寻北均值为117.317°，117.326°，117.304°，117.297°，其均值极差为0.029°。故无论从重复性上还是均值极差上来看，分段式的寻北方式效果显著。

另外在全温条件下进行两种方法的对比，如图6所示。全温温度曲线如图7所示。传统四位置寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.219°，分段式寻北的寻北结果重复性(RMSE)为0.03°。故在全温条件下分段式的寻北方式效果显著。

结合图8，单轴光纤陀螺寻北装置结构组成包括采集模块、控制模块、解算模块和通信模块。光纤陀螺与加速度计的信号通过采集模块采集，采集到的信号传送给控制模块，经过控制模块对信号的初步处理再发送给解算模块，最终由解算模块运用寻北算法解算出寻北结果并传送给控制模块，控制模块再通过串口通信模块将结果发出。

各模块的构成及功能如下：

模块一：采样模块

采样模块用于接收光纤陀螺和加速度计的原始数据。

模块二：控制模块

控制模块接收到来自采集模块的数据，先进行初步的处理，再将完整的传感器数据发送给解算模块。同时它还负责控制通信与其他设备进行通信。

模块三：解算模块

解算模块就是将每个位置的传感器数据存储下来，最后套用寻北算法计算出寻北值。

模块四：通信模块

通信模块负责与其他设备进行通信，比如将寻北结果向外发送，或从外设接收一些指令。

一种单轴光纤陀螺寻北算法，具体包括如下步骤：

步骤1、采集四个位置的陀螺、加速度计数据；

步骤2、根据步骤1数据解算出粗寻北值；

步骤3、解算出精寻北值。

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、寻北仪把初始位置作为第一个位置并在这个位置静止采集数据；

步骤1.2、采集一段时间数据后，寻北仪顺时针旋转90°到达第二个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.3、第二个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第三个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.4、第三个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第四个位置并在此位置采集同样时长的数据。

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、运用上面四个位置的数据，将陀螺仪测得的其敏感轴上的地球自转角速度的分量用如下公式表示：

其中

为载体坐标系下角速度三轴分量，ω_ie＝15.0411°/h，为地球自转角速度，L为地理纬度，α，θ，γ分别为航向角，俯仰角和横滚角；

步骤2.2、取陀螺敏感轴方向为东向，分别用(0)、(1)表示起始位置和终止位置且这两个位置相距180°，则有如下关系式；

步骤2.3、求出俯仰角与横滚角，公式如下：

其中

为载体坐标系下加速度在X轴，Y轴的分量；

步骤2.4、将式(2)与式(3)作差整理得：

A＝Bsinα+Ccosα (5)

其中

B＝cosγ₀+cosγ₁ (7)

C＝sinγ₀sinθ₀+sinγ₁sinθ₁ (8)

步骤2.5、求出航向角α，公式如下：

步骤2.6、二、三位置解得一个寻北值α₁；二，四位置解得一个寻北值α₂，通过下式将两个寻北值加权平均求粗寻北值：

α＝cos²α₁·α₁+cos²α₂·α₂ (10)

所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、根据步骤2解算出的粗寻北值使寻北仪精寻北的初始位置在地理西向，以此为精寻北第一个位置并采集一段时间数据，采集完成后使寻北仪顺时针旋转180°到达第二个位置，并在此位置上采集同样时长的数据；

步骤3.2、根据上面两个位置的数据解算出精寻北值，寻北解算公式与步骤2中一样，将粗寻北值与精寻北值相加便得到最终的寻北结果。

Claims (2)

1.一种单轴光纤陀螺寻北算法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、采集四个位置的陀螺、加速度计数据；

步骤2、根据步骤1数据解算出粗寻北值；

步骤3、解算出精寻北值；

所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、寻北仪把初始位置作为第一个位置并在这个位置静止采集数据；

步骤1.2、采集一段时间数据后，寻北仪顺时针旋转90°到达第二个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.3、第二个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第三个位置并在此位置采集同样时长的数据；

步骤1.4、第三个位置数据采集完成后，寻北仪再顺时针旋90°到达第四个位置并在此位置采集同样时长的数据；

所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、运用上面四个位置的数据，将陀螺仪测得的其敏感轴上的地球自转角速度的分量用如下公式表示：

其中

为载体坐标系下角速度三轴分量，ω_ie＝15.0411°/h，为地球自转角速度，L为地理纬度，α，θ，γ分别为航向角，俯仰角和横滚角；

步骤2.2、取陀螺敏感轴方向为东向，分别用(0)、(1)表示起始位置和终止位置且这两个位置相距180°，则有如下关系式；

步骤2.3、求出俯仰角与横滚角，公式如下：

其中

为载体坐标系下加速度在X轴，Y轴的分量；

步骤2.4、将式(2)与式(3)作差整理得：

A＝Bsinα+Ccosα (5)

其中

B＝cosγ₀+cosγ₁ (7)

C＝sinγ₀sinθ₀+sinγ₁sinθ₁ (8)

步骤2.5、求出航向角α，公式如下：

步骤2.6、二、三位置解得一个寻北值α₁；二，四位置解得一个寻北值α₂，通过下式将两个寻北值加权平均求粗寻北值：

α＝cos²α₁·α₁+cos²α₂·α₂ (10)

2.根据权利要求1所述一种单轴光纤陀螺寻北算法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、根据步骤2解算出的粗寻北值使寻北仪精寻北的初始位置在地理西向，以此为精寻北第一个位置并采集一段时间数据，采集完成后使寻北仪顺时针旋转180°到达第二个位置，并在此位置上采集同样时长的数据；

步骤3.2、根据上面两个位置的数据解算出精寻北值，寻北解算公式与步骤2中一样，将粗寻北值与精寻北值相加便得到最终的寻北结果。

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