CN109708661B - 一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法，首先，通过手动设定方式或通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d；实时采集导航设备输出的惯性稳定设备所在载体的横滚角γ和俯仰角θ；求解出两轴框架角中的最终横滚角R_end；基于最终横滚角R_end求解出两轴框架角中的最终俯仰角E_end；最后利用实时采集的两轴框架的横滚角测量值R和俯仰角测量值E，结合最终横滚角R_end和最终俯仰角E_end，采用下式求解滚动的补偿角度R_c和俯仰的补偿角度E_c，提供给两轴框架角度控制装置。使用本发明能够提高视轴稳定精度。

Description

一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法

技术领域

本发明涉及惯性稳定设备的控制方法，尤其涉及一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法。

背景技术

末制导系统、雷达稳定都是需要视轴稳定的惯性稳定设备。其中，末制导系统在强阵风，强干扰的情况下，跟踪丢目标后，就起不到精确打击的目的；舰船的雷达因为船体摇摆不能保证视轴稳定，无法精确扫描或跟踪目标。因此诸如末制导系统、雷达这种包含框架结构的惯性稳定设备，其设备视轴都是需要进行稳定控制的。

现有技术的视轴惯性稳定方法基本是在框架上安装测角仪，然后根据测角仪检测量进行位置闭环控制。但是只基于测角仪检测量进行位置闭环控制，其稳定精度不高；而且框架至少是两轴框架结构，根据安装框架的内外先后顺序又有很多组合方式，这就给高精度稳定控制带来了影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法，能够提高视轴稳定精度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法，包括：

步骤一、通过手动设定方式或通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d；

步骤二、实时采集导航设备输出的惯性稳定设备所在载体的横滚角γ和俯仰角θ；

步骤三、利用公式(I)求解出两轴框架角中的最终横滚角R_end：

-sin R_end＝sinγcos R_d-cosγcosθsin R_d (I)

步骤四、基于最终横滚角R_end，利用公式(II)求解出两轴框架角中的最终俯仰角E_end：

cos E_end cos R_end＝-sinθcosγcos E_d+cosγcosθsin E_d (II)

步骤五、利用实时采集的两轴框架的横滚角测量值R和俯仰角测量值E，结合最终横滚角R_end和最终俯仰角E_end，采用下式求解滚动的补偿角度R_c和俯仰的补偿角度E_c，提供给两轴框架角度控制装置：

R_c＝R_end-R

E_c＝E_end-E。

优选地，步骤一所述通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d为：

采集一次两轴框架的横滚角测量值R₀和俯仰角测量值E₀、以及惯性稳定设备所在载体的横滚角测量值γ₀和俯仰角测量值θ₀；

将测量值R₀、E₀、γ₀、θ₀代入公式(III)(IV)，计算视轴在地理坐标系下的俯仰角E_d：

E_d＝arcsin(txyyx31) (IV)

其中，txyyx11、txyyx21、txyyx31为中间量；

将测量值R₀、E₀、γ₀、θ₀代入公式(V)(VI)，计算视轴在地理坐标系下的横滚角R_d：

R_d＝arcsin(txyyx31′) (VI)

其中，X^-1Y^-1为导航设备输出向量从载体坐标系变换至当地地理坐标系的逆变换矩阵，其是先滚动角变换再俯仰角变换；R_j ^-1E_j ^-1为两轴框架向量从两轴框架坐标系变换至载体坐标系的逆变换矩阵，其是先俯仰角变换再滚动角变换；其中，txyyx11’、txyyx21’、txyyx31’为中间量；

有益效果：

本发明引入了惯性稳定设备上所配备的导航设备的测量值，根据惯性稳定的需求，推算两轴框架结构的运动情况，以确保两轴框架的惯性稳定。在推算中，基于安装框架的内外先后顺序，在坐标转换时特别考虑了坐标变换顺序，并且考虑到东北天坐标系与视轴某方向重合的因素，进行了简化，从而获得了计算简单而精确的惯性稳定模型，从而提高了视轴的稳定精度。

附图说明

图1为本发明具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法，其基本思想是：针对两轴框架稳定设备，外框架为横滚环，内框架为俯仰环，视轴一般都安装在内框架上；本发明根据惯性稳定设备上配备的导航设备的输出，确定两轴框架对当地地理坐标系姿态角，根据惯性稳定的需求，推算两轴框架结构的运动情况，以确保两轴框架的惯性稳定。

一、首先进行符号的定义

惯性稳定设备所在载体(例如载体和飞机)姿态的符号定义：γ为载体横滚角，θ为载体俯仰角(单位：弧度)；该载体姿态在本发明中由导航设备输出向量得到。

载体姿态的方向定义：载体横滚角，γ以载体的右弦向下为正，反之为负；载体俯仰角θ，以抬头为正，低头为负；

惯性稳定设备中两轴框架角度(即视轴向量)的符号定义：R为框架横滚角，E为框架俯仰角(R,E代表在相应轴向上的转动，单位弧度)；

两轴框架角度的方向定义：框架横滚角R，以框架右弦向下为正；框架俯仰角E，以框架抬头为正；

两轴框架角度相对载体的坐标转换后对应的角度：R_j表示横滚角；E_j表示俯仰角，A_j表示航向角(方位角)，在两轴框架系统中为A_j为0°。

两轴框架角度对大地地理坐标系的坐标转换后对应的角度：R_d表示横滚角；E_d表示俯仰角；A_d表示航向角(方位角)，在两轴框架系统中为A_d为0°。

当地地理坐标系对载体的坐标转换后，对应的角度：R_j′横滚角；E_j′俯仰角。

正变换：当地地理坐标系到载体坐标系坐标变换称为正变换，从载体坐标系到两轴框架坐标系坐标变换也称为正变换；

逆变换：从两轴框架坐标系载体坐标系坐标变换称为逆变换，从载体坐标系到当地地理坐标系坐标变换也称为逆变换。

导航设备输出的横滚角、俯仰角的正变换矩阵：

导航设备输出的横滚角、俯仰角从载体坐标系变换至当地地理坐标系的逆变换矩阵：

框架的横滚角、俯仰角从两轴框架坐标系变换至载体坐标系的逆变换矩阵：

二、视轴对当地地理坐标系姿态解算

2.1坐标变换矩阵

方法：从视轴向量到当地地理坐标系的坐标变换。坐标变换顺序：视轴向量由两轴框架坐标系旋转变换至载体坐标系，再由载体坐标系旋转变换至当地地理坐标系。

视轴向量旋转变换至载体坐标系的变换矩阵：R_j ^-1*E_j ^-1(先俯仰角变换再横滚角变换，从内环到外环的运动)。其中，*表示矩阵的相乘；

载体坐标系旋转至当地地理坐标系的变换矩阵：X^-1*Y^-1(先横滚角变换再俯仰角变换)。

所以：[当地地理坐标系矩阵]＝M_d*[视轴向量]

M_d＝X^-1*Y^-1*R_j ^-1*E_j ^-1 (4)

2.2视轴俯仰角的解算

方法：在东北天OXYZ坐标系与Y轴重合的向量，取视轴上的坐标向量[0；1；0]。

经坐标变换，将视轴向量[0；1；0]坐标变换到大地地理坐标系中：

设中间量为[txyyx11；txyyx21；txyyx31]，则

则视轴在当地地理坐标系的俯仰角E_d:

E_d＝arcsin(txyyx31) (6)

E_d的解算中只用到了txyyx31。

2.3视轴横滚角的解算

方法：在东北天OXYZ坐标系与X轴重合的向量，取视轴上的坐标向量[1；0；0]。

经坐标变换，将视轴向量[1；0；0]坐标变换到大地地理坐标系中：

设中间量为[tzxyzyx11′；tzxyzyx21′；tzxyzyx31′]，则：

则视轴在当地地理坐标系的横滚角R_d：

R_d＝arcsin(txyyx31′) (8)

R_d的解算中只用到了txyyx31’。

三、视轴保持惯性稳定时，姿态解算补偿角度算法

方法：两轴框架坐标系至载体坐标系之间的变换，视轴当地地理坐标至载体坐标变换，通过这两种变换，都取得了载体坐标系下的向量表示形式，两边求等式，进而求解补偿的俯仰角、横滚角的角度。

3.1两轴框架坐标系至载体坐标系变换

通过两轴坐标系到载体坐标系的变换求得视轴的相对载体的俯仰角和横滚角。两轴坐标系到载体坐标系的变换顺序：先俯仰角变换再横滚角变换(先内环再外环的矩阵变换顺序)，即：R^-1*E^-1。下式中的R，E为框架角度值。

[甲板坐标系矩阵]＝R_j ^-1*E_j ^-1*[视轴两轴框架坐标矩阵]

1)俯仰角的解算

由坐标变换原理可知：视轴上的向量可以表示为：

取视轴上的向量：[0；1；0]与在东北天OXYZ坐标系与X轴重合的向量，则有

则俯仰角解算:E_j＝arcsin(t31)(R为框架横滚角，E为框架俯仰角)。

2)横滚角的解算

由坐标变换原理可知：视轴上的向量可以表示为：

取视轴上的坐标向量[1；0；0]与在东北天OXYZ坐标系与Y轴重合的向量。

则横滚角解算:R_j＝arcsin(t311)＝R(R为框架横滚角)。

3.2从当地地理坐标系到载体坐标系的变换

通过视轴稳定的手动设定或自动设置的视轴姿态信息，求视轴当地地理坐标系相对载体坐标系的俯仰角和横滚角。坐标系的变换顺序：先横滚角变换再变俯仰角换。

这里取一种特殊的视轴稳定水平条件，也就是相对视轴保持时，视轴相对大地理坐标下的俯仰角为0°，滚动为0°。

[甲板坐标系矩阵]＝Y*X*[视轴当地地理坐标矩阵]。

1)俯仰角解算

γ,θ,Ψ为惯性导航系统测得的载体姿态角(分别对应横滚，俯仰和航向)。

根据坐标变换原理，视轴在当地地理坐标系上表示为：

根据A_d，E_d上取值(由公式6推导得到，因为两轴框架中，没有航向轴，A_d取0值)，进行坐标变换如下：

2)横滚角解算

根据坐标变换原理，视轴在当地地理坐标系上表示为：

根据A_d，R_d上取值(由公式8推导得到，因为两轴框架中，没有航向轴，A_d取0值)，进行坐标变换如下：

3.3两轴框架角的补偿量计算

因为要保持视轴的惯性稳定，所以3.1和3.2所得到的载体坐标系下的姿态值应该一致。通过等式方程式，求解框架角的横滚角和俯仰角。

解算上述公式(15)可以的得到：

1)横滚角

-sin R_end＝sinγcos R_d-cosγ*cosθ*sin R_d (16)

所以可以求解出两轴框架角中的滚动量最终为：R_end。

则滚动的补偿角度为R_c＝R_end-R(R为实时采集的框架横滚角测量值)。

2)俯仰角

cos E_endcos R_end＝-sinθcosγ*cos E_d+cosγcosθsin E_d (17)

R_end由公式16计算可得，所以可以求解出两轴的最终俯仰量为E_end：

俯仰的补偿角度为E_c＝E_end-E(E为实时采集的框架俯仰角测量值)。

基于上述公式的推导，下面结合图1对本发明的工作流程进行详细描述。

步骤一、当需要进行惯性稳定时，通过手动设定方式或通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d。

其中，通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d的实现方式为：

步骤(11)利用框架角度测量装置，采集一次两轴框架的横滚角测量值R₀和俯仰角测量值E₀；利用导航设备采集一次载体的横滚角测量值γ₀和俯仰角测量值θ₀；

步骤(12)将R₀、E₀、γ₀和θ₀代入视轴在地理坐标系下的姿态算法之一即公式(5)，得到中间量txyyx31，再利用公式(6)得到视轴在地理坐标系下的俯仰角E_d；同理，将R₀、E₀、γ₀和θ₀代入视轴在地理坐标系下的姿态算法之二即公式(7)，得到中间量txyyx31′，再利用公式(8)得到视轴在地理坐标系下的横滚角R_d。

步骤二、实时采集导航设备输出的惯性稳定设备所在载体的横滚角γ和俯仰角θ。

步骤三、将γ、θ和R_d，输入到惯性稳定算法中的最终横滚角计算公式即公式(16)，可以求解出两轴框架角中的最终横滚角R_end。

步骤四、将γ、θ、E_d和R_end，输入到惯性稳定算法中的最终俯仰角计算公式(17)，可以求出两轴框架角中的最终俯仰角E_end和最终横滚角R_end。

步骤五、利用框架角度测量装置实时采集两轴框架的横滚角测量值R和俯仰角测量值E，结合最终横滚角R_end和最终俯仰角E_end，利用公式R_c＝R_end-R和E_c＝E_end-E求解滚动的补偿角度R_c和俯仰的补偿角度E_c，将这两个补偿角度提供给框架角度控制装置，对框架进行角度控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有两轴框架的惯性稳定设备的视轴惯性稳定方法，其特征在于，包括：

步骤一、通过手动设定方式或通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d；

步骤二、实时采集导航设备输出的惯性稳定设备所在载体的横滚角γ和俯仰角θ；

步骤三、利用公式(I)求解出两轴框架角中的最终横滚角R_end：

-sinR_end＝sinγcosR_d-cosγcosθsinR_d (I)

步骤四、基于最终横滚角R_end，利用公式(II)求解出两轴框架角中的最终俯仰角E_end：

cosE_endcosR_end＝-sinθcosγcosE_d+cosγcosθsinE_d (II)

步骤五、利用实时采集的两轴框架的横滚角测量值R和俯仰角测量值E，结合最终横滚角R_end和最终俯仰角E_end，采用下式求解滚动的补偿角度R_c和俯仰的补偿角度E_c，提供给两轴框架角度控制装置：

R_c＝R_end-R

E_c＝E_end-E

其中，步骤一所述通过预设算法获得两轴框架的视轴在地理坐标系下的横滚角R_d和俯仰角E_d为：

采集一次两轴框架的横滚角测量值R₀和俯仰角测量值E₀、以及惯性稳定设备所在载体的横滚角测量值γ0和俯仰角测量值θ₀；

将测量值R₀、E₀、γ₀、θ₀代入公式(III)(IV)，计算视轴在地理坐标系下的俯仰角E_d：

E_d＝arcsin(txyyx31) (IV)

其中，txyyx11、txyyx21、txyyx31为中间量；

将测量值R₀、E₀、γ₀、θ₀代入公式(V)(VI)，计算视轴在地理坐标系下的横滚角R_d：

R_d＝arcsin(txyyx31′) (VI)

其中，X^-1Y^-1为导航设备输出向量从载体坐标系变换至当地地理坐标系的逆变换矩阵，其是先滚动角变换再俯仰角变换；R_j ^-1E_j ^-1为两轴框架向量从两轴框架坐标系变换至载体坐标系的逆变换矩阵，其是先俯仰角变换再滚动角变换；其中，txyyx11’、txyyx21’、txyyx31’为中间量；

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