CN109459054B - 一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯导系统姿态校准技术领域，具体涉及一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法。将惯导系统安装在三轴摇摆台的内框台面上，使三轴摇摆台的外框转动激励惯导系统的航向角变化，中框转动激励惯导系统的俯仰角变化，内框转动激励惯导系统的横滚角变化；使动态自准直跟踪测量仪的目镜首先与北向基准镜自准直，记录下此时动态自准直跟踪测量仪的输出值；然后旋转动态自准直跟踪测量仪，使其与惯导系统方位基准镜自准直，再次记录下动态自准直跟踪测量仪的输出值，此时将北向基准镜的大地方位角引入到惯导系统方位基准镜上。本发明利用动态自准直跟踪测量仪的自动跟踪和动态测角功能，实现静态和动态条件下对惯导系统姿态的实时校准。

Description

一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法

技术领域

本发明属于惯导系统姿态校准技术领域，具体涉及一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法。

背景技术

随着科学技术尤其是电子技术和卫星计算机技术的发展，惯性导航、制导和控制有了较快的发展，精度越来越高。光学捷联惯导，如激光陀螺、光纤陀螺惯导已达到较高的精度，并在火箭、导弹、飞船和飞机上得到广泛应用。由于惯导系统工作时多为动态环境，姿态角度变化大、频率高，因此，如何在动态条件下对惯导系统的动态姿态精度进行测量和校准，就成为计量测试领域亟需解决的难题。

现有计量校准方法主要是利用静态天文基准，采用经纬仪、激光跟踪仪或光电自准直仪对此静态基准进行光学传递，再与被测目标建立几何角度联系，从而实现动态姿态测量。此方法局限性较大，例如目前市场上应用较广的经纬仪(全站仪)类仪器，其主要适用于静态测量，无动态采集和自准直功能；激光跟踪仪、相机单元、靶标单元组合测量系统采用图像测量方法，动态精度较低，且系统使用效率不高；光电自准直仪单独使用时测量值为角度相对变化量，无转位机构，使用范围受限。

发明内容

针对目前惯导系统动态姿态校准难题，本发明提出一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，以克服现有技术存在的上述不足。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，步骤如下：

(1)将惯导系统安装在三轴摇摆台的内框台面上，调整安装位置，使其X轴、Y轴、Z轴与三轴摇摆台的内框轴、中框轴和外框轴对齐，从而使三轴摇摆台的外框转动激励惯导系统的航向角变化，中框转动激励惯导系统的俯仰角变化，内框转动激励惯导系统的横滚角变化；

(2)调整动态自准直跟踪测量仪的底座，使其工作于调平状态；手动或自动操作，使动态自准直跟踪测量仪的目镜首先与北向基准镜自准直，记录下此时动态自准直跟踪测量仪的输出值；然后旋转动态自准直跟踪测量仪，使其与惯导系统方位基准镜自准直，再次记录下动态自准直跟踪测量仪的输出值，此时将北向基准镜的大地方位角引入到惯导系统方位基准镜上；

(3)当三轴摇摆台摇摆时，动态自准直跟踪测量仪对惯导系统进行跟踪测量；同步采集动态自准直跟踪测量仪的俯仰角和方位角，惯导系统的俯仰角、横滚角和航向角；将动态自准直跟踪测量仪通过引入标准大地方位角和同步采样合成后的方位角作为方位标准值，将惯导系统同步时刻测量出的航向角作为被测值，两者的差值即为航向姿态误差；将动态自准直跟踪测量仪同步采样后的俯仰角与视准轴处于水平时角度的差作为水平角度标准值，将惯导系统同步时刻测量出的俯仰角和横滚角作为被测值，两者的差即为水平姿态误差。

所述的步骤(1)中X轴、Y轴、Z轴为北东地坐标系。

该方法在实验室条件下进行。

所述的航向姿态误差如公式(1)所示：

δ_z＝A_t-α′＝A_t-(A₀+α₁-360) (1)

式中：

δ_z——航向姿态误差；

A_t——惯导系统测量输出的航向姿态角；

α′——动态自准直跟踪测量仪合成的方位标准角；

A₀——北向基准镜方位角；

α₁——动态自准直跟踪测量仪测得的自北向基准镜至惯导基准镜法线的方位角，其中包含动态测量值Δα₁。

所述的水平姿态误差如公式(2)所示：

δ_x＝X₁-X₀ δ_Y＝Y₁-Y₀ (2)

式中：

δ_x——俯仰姿态误差；

δ_y——横滚姿态误差；

X₁——惯导系统测量输出的俯仰姿态角；

Y₁——惯导系统测量输出的横滚姿态角；

X₀、Y₀——动态自准直跟踪测量仪俯仰角与视准轴处于水平时角度的差，其中包含动态测量值ΔX₀、ΔY₀。

静态试验时，三轴摇摆台锁零，惯导系统上电，进入6小时的初始对准状态；初始对准结束后，三轴摇摆台按照静态试验工况进行转位，转到固定角度位置停止，静止稳定后开始同步采集动态自准直跟踪测量仪的俯仰、方位角和惯导系统的三轴姿态角，采集时间为1分钟，采样结束后三轴摇摆台转向下一固定位置，动态自准直跟踪测量仪挪动测量位置，并重新引入大地方位角后进行同步采集，共需转到6个位置进行采集，全部位置采集完毕后断电，等待5分钟，进行下一次测量；重复上次测试过程6次，计算误差值，作为静态条件下惯导系统的姿态精度值。

动态试验时，启动三轴摇摆台，模拟惯导系统实际工作时的摇摆工况，激励惯导系统在摇摆状态下产生姿态误差；惯导系统在三轴摇摆台启动时上电，在进行6个小时的初始对准后进入导航状态；数据采集系统每1秒钟产生一次同步信号，同时记录动态自准直跟踪测量仪的俯仰、方位角和惯导系统的三轴姿态角；惯导系统输出的三轴姿态角作为被测值，动态自准直跟踪测量仪采集到的经过合成计算后的俯仰角和方位角作为标准值，被测值和标准值之差即为惯导系统的姿态测量误差；在摇摆状态下，共采集6小时数据作为统计样本，断电，等待5分钟，进行下一次测量；重复上次测试过程6次，计算误差值，作为动态条件下惯导系统的姿态精度值。

本发明所取得的有益效果为：

本发明利用动态自准直跟踪测量仪的自动跟踪和动态测角功能，对安装于三轴摇摆台上的惯导系统进行同步采样校准，根据角度传递关系，实现静态和动态条件下对惯导系统姿态的实时校准。

动态自准直跟踪测量仪自准直测量范围±600″，分辨率0.1″，精度1″，动态响应70HZ，水平跟踪范围360°，垂直跟踪范围±45°，跟踪系统在被测物体以角速度ω＝2.0°/s运动时，动态综合角度测量误差10″(2.7σ)，具有测量范围广、动态响应快、精度高的优点。以动态自准直跟踪测量仪作为惯导系统姿态校准设备，采用引入静态角度基准，动态采样、跟踪、测量的校准方法，测量效率高、设备简化、计算简单，可推广应用于平台系统的动态姿态精度测量校准，也可用于高精度惯组的动态精度测量校准，还可用于其他动态姿态测量场合，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为惯导系统动基座姿态校准试验示意图；

图2为航向姿态校准角度传递关系图；

图中：1、三轴摇摆台；2、惯导系统；3、惯导系统方位基准镜；4、动态自准直跟踪测量仪；5、北向基准镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

校准试验在实验室条件下完成，自准直跟踪测量仪和惯导系统位置关系如图1所示。方案步骤如下：

(1)为了模拟惯导系统2的实际工作工况，试验时，将惯导系统2通过试验工装安装在高精度三轴摇摆台1的内框台面上，调整安装位置，使其(北东地坐标系)X轴、Y轴、Z轴与三轴摇摆台1的内框轴、中框轴和外框轴对齐，从而使三轴摇摆台1的外框转动激励惯导系统2的航向角变化，中框转动激励惯导系统2的俯仰角变化，内框转动激励惯导系统2的横滚角变化。

(2)调整动态自准直跟踪测量仪4的底座，使其工作于调平状态。手动或自动操作，使动态自准直跟踪测量仪4的目镜首先与实验室内的北向基准镜5自准直，记录下此时动态自准直跟踪测量仪4的输出值。然后旋转动态自准直跟踪测量仪4，使其与惯导系统方位基准镜3自准直，再次记录下动态自准直跟踪测量仪4的输出值，此时便将北向基准镜5的大地方位角引入到惯导系统方位基准镜3上。方位角度传递关系如图2所示。

(3)当三轴摇摆台1摇摆时，动态自准直跟踪测量仪4对惯导系统2进行跟踪测量。同步采集动态自准直跟踪测量仪4的俯仰角和方位角，惯导系统2的俯仰角(横滚角)和航向角。将动态自准直跟踪测量仪4通过引入标准大地方位角和同步采样合成后的方位角作为方位标准值，将惯导系统2同步时刻测量出的航向角作为被测值，两者的差值即为航向姿态误差，航向姿态误差如公式(1)所示。将动态自准直跟踪测量仪4同步采样后的俯仰角与视准轴处于水平时角度的差作为水平角度标准值，将惯导系统2同步时刻测量出的俯仰角(横滚角)作为被测值，两者的差即为水平姿态误差，如公式(2)所示。

δ_z＝A_t-α′＝A_t-(A₀+α₁-360) (1)

式中：

δ_z——航向姿态误差；

A_t——惯导系统测量输出的航向姿态角；

α′——动态自准直跟踪测量仪合成的方位标准角；

A₀——北向基准镜方位角；

α₁——动态自准直跟踪测量仪测得的自北向基准镜至惯导基准镜法线的方位角，其中包含动态测量值Δα₁；

δ_x＝X₁-X₀ δ_Y＝Y₁-Y₀ (2)

式中：

δ_x——俯仰姿态误差；

δ_y——横滚姿态误差；

X₁——惯导系统测量输出的俯仰姿态角；

Y₁——惯导系统测量输出的横滚姿态角；

X₀、Y₀——动态自准直跟踪测量仪俯仰角与视准轴处于水平时角度的差，其中包含动态测量值ΔX₀、ΔY₀。

具体实施例如下：

(1)静态试验时，三轴摇摆台1锁零，惯导系统2上电，进入6小时的初始对准状态。初始对准结束后，三轴摇摆台1按照静态试验工况进行转位，转到固定角度位置停止，静止稳定后开始同步采集动态自准直跟踪测量仪4的俯仰、方位角和惯导系统2的三轴姿态角，采集时间为1分钟，采样结束后三轴摇摆台1转向下一固定位置，动态自准直跟踪测量仪4挪动测量位置，并重新引入大地方位角后进行同步采集，共需转到6个位置进行采集，全部位置采集完毕后断电，等待5分钟，惯组和转台重新上电进行下一次测量。重复上次测试过程6次，计算误差值，作为静态条件下惯导系统2的姿态精度值。

(2)动态试验时，启动三轴摇摆台1，模拟惯导系统2实际工作时的摇摆工况，激励惯导系统2在摇摆状态下产生姿态误差。惯导系统2在三轴摇摆台1启动时上电，在进行6个小时的初始对准后进入导航状态。数据采集系统每1秒钟产生一次同步信号，同时记录动态自准直跟踪测量仪4的俯仰、方位角和惯导系统2的三轴姿态角；惯导系统2输出的三轴姿态角作为被测值，动态自准直跟踪测量仪4采集到的，经过合成计算后的俯仰角和方位角作为标准值，被测值和标准值之差即为惯导系统2的姿态测量误差。在摇摆状态下，共采集21600组(6小时)数据作为统计样本，断电，等待5分钟，惯组和转台重新上电进行下一次测量。重复上次测试过程6次，计算误差值，作为动态条件下惯导系统2的姿态精度值。

Claims (7)

1.一种基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：步骤如下：

(1)将惯导系统安装在三轴摇摆台的内框台面上，调整安装位置，使其X轴、Y轴、Z轴与三轴摇摆台的内框轴、中框轴和外框轴对齐，从而使三轴摇摆台的外框转动激励惯导系统的航向角变化，中框转动激励惯导系统的俯仰角变化，内框转动激励惯导系统的横滚角变化；

(2)调整动态自准直跟踪测量仪的底座，使其工作于调平状态；手动或自动操作，使动态自准直跟踪测量仪的目镜首先与北向基准镜自准直，记录下此时动态自准直跟踪测量仪的输出值；然后旋转动态自准直跟踪测量仪，使其与惯导系统方位基准镜自准直，再次记录下动态自准直跟踪测量仪的输出值，此时将北向基准镜的大地方位角引入到惯导系统方位基准镜上；

(3)当三轴摇摆台摇摆时，动态自准直跟踪测量仪对惯导系统进行跟踪测量；同步采集动态自准直跟踪测量仪的俯仰角和方位角，惯导系统的俯仰角、横滚角和航向角；将动态自准直跟踪测量仪通过引入标准大地方位角和同步采样合成后的方位角作为方位标准值，将惯导系统同步时刻测量出的航向角作为被测值，两者的差值即为航向姿态误差；将动态自准直跟踪测量仪同步采样后的俯仰角与视准轴处于水平时角度的差作为水平角度标准值，将惯导系统同步时刻测量出的俯仰角和横滚角作为被测值，两者的差即为水平姿态误差。

2.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：所述的步骤(1)中X轴、Y轴、Z轴为北东地坐标系。

3.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：该方法在实验室条件下进行。

4.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：所述的航向姿态误差如公式(1)所示：

δ_z＝A_t-α′＝A_t-(A₀+α₁-360) (1)

式中：

δ_z——航向姿态误差；

A_t——惯导系统测量输出的航向姿态角；

α′——动态自准直跟踪测量仪合成的方位标准角；

A₀——北向基准镜方位角；

α₁——动态自准直跟踪测量仪测得的自北向基准镜至惯导基准镜法线的方位角，其中包含动态测量值Δα₁。

5.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：所述的水平姿态误差如公式(2)所示：

δ_x＝X₁-X₀ δ_Y＝Y₁-Y₀ (2)

式中：

δ_x——俯仰姿态误差；

δ_y——横滚姿态误差；

X₁——惯导系统测量输出的俯仰姿态角；

Y₁——惯导系统测量输出的横滚姿态角；

X₀、Y₀——动态自准直跟踪测量仪俯仰角与视准轴处于水平时角度的差，其中包含动态测量值ΔX₀、ΔY₀。

6.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：静态试验时，三轴摇摆台锁零，惯导系统上电，进入6小时的初始对准状态；初始对准结束后，三轴摇摆台按照静态试验工况进行转位，转到固定角度位置停止，静止稳定后开始同步采集动态自准直跟踪测量仪的俯仰、方位角和惯导系统的三轴姿态角，采集时间为1分钟，采样结束后三轴摇摆台转向下一固定位置，动态自准直跟踪测量仪挪动测量位置，并重新引入大地方位角后进行同步采集，共需转到6个位置进行采集，全部位置采集完毕后断电，等待5分钟，进行下一次测量；重复上次测试过程6次，计算误差值，作为静态条件下惯导系统的姿态精度值。

7.根据权利要求1所述的基于自准直跟踪的动基座姿态校准方法，其特征在于：动态试验时，启动三轴摇摆台，模拟惯导系统实际工作时的摇摆工况，激励惯导系统在摇摆状态下产生姿态误差；惯导系统在三轴摇摆台启动时上电，在进行6个小时的初始对准后进入导航状态；数据采集系统每1秒钟产生一次同步信号，同时记录动态自准直跟踪测量仪的俯仰、方位角和惯导系统的三轴姿态角；惯导系统输出的三轴姿态角作为被测值，动态自准直跟踪测量仪采集到的经过合成计算后的俯仰角和方位角作为标准值，被测值和标准值之差即为惯导系统的姿态测量误差；在摇摆状态下，共采集6小时数据作为统计样本，断电，等待5分钟，进行下一次测量；重复上次测试过程6次，计算误差值，作为动态条件下惯导系统的姿态精度值。

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