CN109459008A - 一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，包括光纤陀螺仪、加速度计、I/F电路、信号处理与接口电路、转台和本体，光纤陀螺仪按照三轴正交的方式固定在本体上，将角速度信息发送给信号处理与接口电路；加速度计按照三轴正交的方式固定在本体上，加速度计坐标系与光纤陀螺仪坐标系重合，加速度计将加速度对应的电流信息传输给I/F电路并转换为频率信号，再发送给信号处理与接口电路；转台的台面与本体的底面之间固连，转台台面的转动与本体之间同步转动；信号处理与接口电路将预置的旋转角度信息和停留时间信息发送给转台，转台接收到该信息后按照指令要求转动；信号处理与接口电路对不同位置下的角速度和加速度信息进行寻北解算。

Description

一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置及方法

技术领域

本发明涉及一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置及方法，属于超高超大高精密压装装配领域。

背景技术

定向系统主要用于为武器发射提供精确的方位信息，可以广泛用于移动发射车、侦察车、隧道定向、轨道检测等领域，可以提升移动平台的机动性，提高战车的生存能力和快速反应能力，有效地保证打击精度，具有重要的意义。

光纤陀螺仪是一种全固态惯性仪表，它具有传统机电仪表所不具备的优点。它是由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺仪，没有任何运动部件。光纤陀螺仪正是以其原理和结构上的优点，使其在许多应用领域具有明显的优势，尤其是在对产品可靠性和寿命要求很高的航天器上，其主要特点表现在以下几个方面：(1)全固态：光纤陀螺仪的部件都是固态的，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；(2)长寿命：光纤陀螺仪所用的关键光学器件都可满足空间应用15年的长寿命要求；(3)高可靠性：光纤陀螺仪结构设计灵活，生产工艺相对简单，系统的可靠性高。

现有寻北方法通常静态寻北方法和动态寻北方法，静态寻北方法包括二位置、四位置寻北方法，即通过在不同位置下采集陀螺仪的数据进行寻北解算，从而得到初始方位角的方法。现有的方法属于静态寻北的方法，操作简单，寻北时间短、速度快，但静态寻北不具有抗晃动能力，且受陀螺仪漂移影响较大，精度不高。动态寻北方法则是通过垂直于水平面的敏感轴的陀螺仪，以恒定的角速度旋转至另外一个角度，通过卡尔曼滤波估计出陀螺敏感轴相对真北方向的初始方位角，这种方法寻北精度高，但是寻北时间较长，且存在初始偏差角较大时滤波收敛时间较长的问题。

现有寻北方法需要装订初始纬度信息，对于野外作业、低下矿井等条件受限地区，获得纬度信息较为困难，因此，现有的方法推广面较窄。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置及方法，通过光纤陀螺仪和加速度计仪表信息估计纬度信息，完全无需外界信息辅助，具有较强的隐蔽性。

本发明的技术解决方案是：

一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，包括光纤陀螺仪、加速度计、I/F电路、信号处理与接口电路、转台和本体，光纤陀螺仪按照三轴正交的方式固定在本体上，将角速度信息发送给信号处理与接口电路；加速度计按照三轴正交的方式固定在本体上，加速度计坐标系与光纤陀螺仪坐标系重合，加速度计将加速度对应的电流信息传输给I/F电路并转换为频率信号，再发送给信号处理与接口电路；转台的台面与本体的底面之间固连，转台台面的转动与本体之间同步转动；信号处理与接口电路将预置的旋转角度信息和停留时间信息发送给转台，转台接收到该信息后按照指令要求转动；信号处理与接口电路对不同位置下的角速度和加速度信息进行寻北解算，并将处理完的结果发送给上位机，上位机实时显示北向用于仪器设备寻北。

光纤陀螺仪精度优于0.01°/h，加速度计精度优于5×10^-5g，寻北精度优于0.03°。

寻北过程包括了静态多位置粗寻北和卡尔曼滤波精寻北。

静态多位置粗寻北过程是通过从位置0每隔60°顺时针旋转后采集陀螺仪数据，通过最小二乘拟合辨识出与真北向的初始偏差角θ，再逆时针旋转初始偏差角θ，再在此位置进行3min粗对准后转台旋转180°静止，通过卡尔曼滤波确定北向偏差角。

初始偏差角θ的计算方法为：转台顺时针旋转，每次旋转的角度为每个位置停留时间为t，设每个位置下角度为θ_i，初始与真北向偏差角为θ₀，建立数学模型为：

ω＝ω_ie·cosL·(cosθcosθ_i-sinθsinθ_i+ε(t))

ω为陀螺仪输出，ω_ie为地球自转角速度,L为当地纬度，N个位置展开后得：

将陀螺仪的漂移定为固定值ε，上式可以改写为：

令：则有Z＝H·X，根据最小二乘法可求得：

从而可以得到初始偏差角：

当地纬度计算方法为：将光纤陀螺寻北装置放置于载体上，记当前位置为位置0，在该位置下，连续测试一段时间T，T≥3min,记三个轴的陀螺仪输出均值为ω_x、ω_y和ω_z，三个轴加速度计输出均值为f_x、f_y、f_z，则纬度计算如下：

一种小型中高精度光纤陀螺寻北方法，具体步骤为：

(1)纬度计算：将光纤陀螺寻北装置放置于载体上，记当前位置为位置0，在该位置下，连续测试一段时间T，T≥3min,记三个轴的陀螺仪输出均值为ω_x、ω_y和ω_z，三个轴加速度计输出均值为f_x、f_y、f_z，则纬度

(2)初始偏差角计算：转台顺时针旋转，每次旋转的角度为每个位置停留时间为t，设每个位置下角度为θ_i，初始与真北向偏差角为θ₀，建立数学模型为：

ω＝ω_ie·cosL·(cosθcosθ_i-sinθsinθ_i+ε(t))

ω为陀螺仪输出，ω_ie为地球自转角速度,L为当地纬度，N个位置展开后得：

将陀螺仪的漂移定为固定值ε，上式可以改写为：

令：则有Z＝H·X，根据最小二乘法可求得：

从而可以得到初始偏差角：

(3)寻北系统粗调节，将转台逆时针旋转θ角，初始偏差角θ与真北向偏差角θ₀的偏差为Δθ＝θ-θ₀，Δθ为一微小量；

(4)偏差角Δθ的滤波估计，待步骤(2)完成后，光纤寻北系统静态测试T时间后进行粗对准，粗对准完成后转入动态导航，将转台按照固定的角速度顺时针旋转180°，之后静止，连续测试时间T,整个过程中系统一直处于动态导航过程中，设系统变量为：

其中，δV_e是东向速度误差；δV_n是北向速度误差；φ_e是东向失准角；φ_n是北向失准角；φ_u是天向失准角；是x向加速度计零偏；是y向加速度计零偏；ε_x是x向陀螺漂移；ε_y是y向陀螺漂移；ε_z是z向陀螺漂移。则状态方程为：

F为一步转移矩阵，

R_e为地球半径，R_m和R_n表示沿子午圈的曲率半径和沿卯酉圈的曲率半径，观测方程以寻北系统的速度与观测速度的差值作为观测量的量测方程为：

其中w_v为观测噪声，V_se、V_sn是光纤寻北系统输出的东向和北向速度；V_oe、V_on是观测系统输出的东向和北向速度。

(5)寻北系统精调节：将转台逆时针旋转φ_n角，此时光纤寻北系统北向陀螺所指的方向即为真北向，真北向偏差角θ₀计算公式为：

θ₀＝θ-φ_n

至此，完成了系统寻北。

本发明的有益效果为：

(1)相比静态寻北方法，本发明抗干扰能力强，适用于复杂环境下作业；另外该方法寻北精度高，有利于保证对准精度；

(2)相比现有的动态寻北精度，本发明能够实现快速对准，且通过最小二乘法辨识出陀螺仪零偏并将其扣除后能够提高寻北精度；

(3)本发明能够无需纬度等外界信息，完成自寻北功能，提高了产品的适应性；

(4)本发明简单易行，提高了寻北效率，节约了人力、物力。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步叙述。

一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，如图1所示，包括一个本体结构件；在本体结构件的侧面上分布3只光纤陀螺仪、3只加速度计、1套信号处理与接口电路和1套I/F电路，在本体结构件腔体内安装有1套二次电源；在本体结构件底座上安装一个单轴转台；在本体结构件的四个角上分别有一个安装孔，在其中一边中间有一个安装孔，用于固定在航天器安装面上，在安装孔旁边有一个接地桩；1套二次电源电路负责把一次电源变换为光纤陀螺寻北装置所需要的二次电源，分别为3只光纤陀螺仪、1套信号处理与接口电路和1套转台设备供电；1套信号处理与接口电路用于接收3路光纤陀螺仪和3路加速度计数据，进行补偿运算，并输出数据。

本发明原理为：将光纤陀螺寻北装置放置在单轴转台上，静态测试3min之后，按照固定的角速度旋转6个位置，共旋转6次，每个位置下停留3min，首先利用最小二乘方法辨识出北向误差角和陀螺仪的零偏，再旋转所辨识出的北向误差角，大小相等，方向相反，至此之后，按照固定的角速度旋转180°后静态保持3min，利用卡尔曼滤波方法估计出残余偏差角。

具体的，光纤陀螺仪按照三轴正交的方式固定在本体上，将角速度信息发送给信号处理与接口电路；加速度计按照三轴正交的方式固定在本体上，加速度计坐标系与光纤陀螺仪坐标系重合，加速度计将加速度对应的电流信息传输给I/F电路并转换为频率信号，再发送给信号处理与接口电路；转台的台面与本体的底面之间固连，转台台面的转动与本体之间同步转动；信号处理与接口电路将预置的旋转角度信息和停留时间信息发送给转台，转台接收到该信息后按照指令要求转动；信号处理与接口电路对不同位置下的角速度和加速度信息进行寻北解算，并将处理完的结果发送给上位机，上位机实时显示北向用于仪器设备寻北。

光纤陀螺寻北装置寻北方法为：

(1)纬度计算：将光纤陀螺寻北装置放置于载体上，给装置加电，记当前位置为位置0，在该位置下，连续测试一段时间T(要求T≥3min),记三个轴的陀螺仪输出均值为ω_x、ω_y和ω_z，三个轴加速度计输出均值为f_x、f_y、f_z，则纬度计算如下：

(2)初始偏差角计算：转台顺时针旋转，每次旋转的角度为例如当N＝6时，每次旋转60°,旋转角度为“60°,-120°-180°,-240°,-300°,-360°”，每个位置停留时间为T，设每个位置下角度为θ_i，初始与真北向偏差角为θ₀，建立数学模型为：

ω＝ω_ie·cosL·cos(θ+θ_i)+ε(t)

＝ω_ie·cosL·(cosθcosθ_i-sinθsinθ_i+ε(t))

ω为陀螺仪输出，ω_ie为地球自转角速度；L为当地的纬度，N个位置展开后得：

将陀螺仪的漂移定为固定值ε，上式可以改写为：

由此可设，则有Z＝H·X，根据最小二乘法可求得：

从而可以得到初始偏差角：

(3)寻北系统粗调节，将转台逆时针旋转θ角，此时光纤寻北系统计算得到的初始偏差角θ与真北向偏差角θ₀的偏差为Δθ＝θ-θ₀，Δθ为一微小量；

(4)偏差角Δθ的滤波估计，待步骤(2)完成后，光纤寻北系统静态测试T时间后进行粗对准，粗对准完成后转入动态导航，将转台按照固定的角速度顺时针旋转180°，之后再静止，连续测试时间T,整个过程中系统一直处于动态导航过程中。设系统变量为：

其中，δV_e是东向速度误差；δV_n是北向速度误差；φ_e是东向失准角；φ_n是北向失准角；φ_u是天向失准角；是x向加速度计零偏；是y向加速度计零偏；ε_x是x向陀螺漂移；ε_y是y向陀螺漂移；ε_z是z向陀螺漂移。则状态方程为：

其中一步转移矩阵F定义如下：

其中：

R_e为地球半径，R_m和R_n表示沿子午圈的曲率半径和沿卯酉圈的曲率半径。

观测方程以寻北系统的速度与观测速度的差值作为观测量的量测方程为：

其中w_v为观测噪声，V_se、V_sn是光纤寻北系统输出的东向和北向速度；V_oe、V_on是观测系统输出的东向和北向速度。

(5)寻北系统精调节：将将转台逆时针旋转φ_n角，此时光纤寻北系统北向陀螺所指的方向即为真北向，真北向偏差角θ₀计算公式为：

θ₀＝θ-φ_n

至此，完成了系统寻北。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进与变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，包括光纤陀螺仪、加速度计、I/F电路、信号处理与接口电路、转台和本体，光纤陀螺仪按照三轴正交的方式固定在本体上，将角速度信息发送给信号处理与接口电路；加速度计按照三轴正交的方式固定在本体上，加速度计坐标系与光纤陀螺仪坐标系重合，加速度计将加速度对应的电流信息传输给I/F电路并转换为频率信号，再发送给信号处理与接口电路；转台的台面与本体的底面之间固连，转台台面的转动与本体之间同步转动；信号处理与接口电路将预置的旋转角度信息和停留时间信息发送给转台，转台接收到该信息后按照指令要求转动；信号处理与接口电路对不同位置下的角速度和加速度信息进行寻北解算，并将处理完的结果发送给上位机，上位机实时显示北向用于仪器设备寻北。

2.如权利要求1所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，光纤陀螺仪精度优于0.01°/h，加速度计精度优于5×10^-5g，寻北精度优于0.03°。

3.如权利要求1所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，寻北过程包括了静态多位置粗寻北和卡尔曼滤波精寻北。

4.如权利要求3所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，静态多位置粗寻北过程是通过从位置0每隔60°顺时针旋转后采集陀螺仪数据，通过最小二乘拟合辨识出与真北向的初始偏差角θ，再逆时针旋转初始偏差角θ，再在此位置进行3min粗对准后转台旋转180°静止，通过卡尔曼滤波确定北向偏差角。

5.如权利要求4所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，初始偏差角θ的计算方法为：转台顺时针旋转，每次旋转的角度为每个位置停留时间为t，设每个位置下角度为θ_i，初始与真北向偏差角为θ₀，建立数学模型为：

ω＝ω_ie·cosL·(cosθcosθ_i-sinθsinθ_i+ε(t))

ω为陀螺仪输出，ω_ie为地球自转角速度,L为当地纬度，N个位置展开后得：

将陀螺仪的漂移定为固定值ε，上式可以改写为：

令：则有Z＝H·X，根据最小二乘法可求得：

从而可以得到初始偏差角：

6.如权利要求5所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置，其特征在于，当地纬度计算方法为：将光纤陀螺寻北装置放置于载体上，记当前位置为位置0，在该位置下，连续测试一段时间T，T≥3min,记三个轴的陀螺仪输出均值为ω_x、ω_y和ω_z，三个轴加速度计输出均值为f_x、f_y、f_z，则纬度计算如下：

7.一种小型中高精度光纤陀螺寻北方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)纬度计算：将光纤陀螺寻北装置放置于载体上，记当前位置为位置0，在该位置下，连续测试一段时间T，T≥3min,记三个轴的陀螺仪输出均值为ω_x、ω_y和ω_z，三个轴加速度计输出均值为f_x、f_y、f_z，则纬度

(2)初始偏差角计算：转台顺时针旋转，每次旋转的角度为每个位置停留时间为t，设每个位置下角度为θ_i，初始与真北向偏差角为θ₀，建立数学模型为：

ω＝ω_ie·cosL·(cosθcosθ_i-sinθsinθ_i+ε(t))

ω为陀螺仪输出，ω_ie为地球自转角速度,L为当地纬度，N个位置展开后得：

将陀螺仪的漂移定为固定值ε，上式可以改写为：

令：则有Z＝H·X，根据最小二乘法可求得：

从而可以得到初始偏差角：

(3)寻北系统粗调节，将转台逆时针旋转θ角，初始偏差角θ与真北向偏差角θ₀的偏差为Δθ＝θ-θ₀，Δθ为一微小量；

(4)偏差角Δθ的滤波估计，待步骤(2)完成后，光纤寻北系统静态测试T时间后进行粗对准，粗对准完成后转入动态导航，将转台按照固定的角速度顺时针旋转180°，之后静止，连续测试时间T,整个过程中系统一直处于动态导航过程中，设系统变量为：

其中，δV_e是东向速度误差；δV_n是北向速度误差；φ_e是东向失准角；φ_n是北向失准角；φ_u是天向失准角；是x向加速度计零偏；是y向加速度计零偏；ε_x是x向陀螺漂移；ε_y是y向陀螺漂移；ε_z是z向陀螺漂移。则状态方程为：

F为一步转移矩阵，

R_e为地球半径，R_m和R_n表示沿子午圈的曲率半径和沿卯酉圈的曲率半径，

观测方程以寻北系统的速度与观测速度的差值作为观测量的量测方程为：

其中w_v为观测噪声，V_se、V_sn是光纤寻北系统输出的东向和北向速度；V_oe、V_on是观测系统输出的东向和北向速度。

(5)寻北系统精调节：将转台逆时针旋转φ_n角，此时光纤寻北系统北向陀螺所指的方向即为真北向，真北向偏差角θ₀计算公式为：

θ₀＝θ-φ_n

至此，完成了系统寻北。

8.如权利要求7所述的一种小型中高精度光纤陀螺寻北方法，其特征在于，一步转移矩阵F定义如下：

其中：