CN110006446B - 一种基于棱镜的惯组输出标校方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于棱镜的惯组输出标校方法，包括，利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。本发明技术方案针对惯组输出基准转移的问题，通过分别获取惯组和棱镜相对于安装基准的误差，以安装基准作为参照，获得惯组相对于棱镜的输出信号，从而获得一个较高的光学输出结果。
Description
技术领域
本发明属于导航技术领域，具体涉及一种基于棱镜的惯组输出标校方法。
背景技术
惯性制导系统，是利用惯性来控制和导引运动物体驶向目标的制导系统。这种系统通过惯性测量装置测出物体的运动参数，形成制导指令进行控制。组成惯性制导系统的设备都安装在运动物体上，工作时不依赖外界信息，也不向外辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式的制导系统。这种系统广泛用于飞机、船舶、导弹、运载火箭和航天器的制导。惯性制导系统通常由惯性测量装置、计算机、控制或显示器等组成。惯性测量装置包括测量角运动参数的陀螺仪和测量平移运动加速度的加速度计。计算机对所测得的数据进行运算，获得运动物体的速度和位置。对于飞机和船舶来说,这些数据送到控制显示器显示,然后由领航员或驾驶员下达控制指令，操纵飞机、船舶航行；或由自动驾驶仪引导到达目标。航天器和导弹的计算机所发出的控制指令，则直接送到执行机构控制其姿态，或者控制发动机推力的方向、大小和作用时间，将航天器引导到规定的轨道上，将导弹引导到目标区内。
在惯性导航系统中，惯组的输出是惯性系下载体的角速度和加速度信息，通常通过分立式标定方法把惯组相对于安装基准的误差标定出来，经过误差补偿后的惯组输出信息是相对于安装基准的信息，如果载体的安装基准精度不高，或者是特殊需求需要较高精度的输出基准，通常会把惯组输出信息统一到一个较高的光学基准上。该方法主要是解决惯组载体安装精度不高，惯组输出基准需要转移到一个较高的光学基准上的问题，便于后续光学瞄准。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于棱镜的惯组输出标校方法，至少可以部分解决上述问题。本发明技术方案针对惯组输出基准转移的问题，通过分别获取惯组和棱镜相对于安装基准的误差，以安装基准作为参照，获得惯组相对于棱镜的输出信号，从而获得一个较高的光学输出结果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其特征在于，包括，
S1利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；
S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；
S3根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S1包括，
S11分别通过陀螺和/或加速度表采集获得惯组相对于安装基准的角速度和/或加速度；
S12根据陀螺和加速度表的安装误差补偿矩阵，分别对陀螺和加速度表采集获得的角速度和加速度信息进行处理；
S13获得惯组相对安装基准的角速度和加速信息。
作为本发明技术方案的一个优选，陀螺和加速度表采集获得的角速度和加速度信息优选通过安装误差补偿矩阵以及陀螺和加速度表的零位值进行校正。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S2包括，
S21根据安装基准建立三轴坐标系，将任意轴方向上的棱镜法线投影到剩余两轴所构成的平面上；
S22以三轴坐标系为基准，获取每个坐标轴在竖直状态下棱镜的水平读数和垂直读数；
S23根据坐标轴的状态及其对应的棱镜水平读数和垂直读数，获得该坐标轴方上的棱镜法线在其余两轴所构成平面上的投影与另外两轴的夹角；
S24获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S3中，所述安装误差矩阵优选经过归一化处理，根据归一化后的误差矩阵和惯组相对安装基准的输出得到惯组相对棱镜为基准的输出。
作为本发明技术方案的一个优选，安装基准坐标系优选为正交坐标系。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S22中，分别获取每个坐标轴竖直向上和竖直向下状态下，棱镜的水平读数和垂直读数。
按照本发明的一个方面，提供了一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行：是不是重复了
S1利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；
S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；
S3根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。
按照本发明的一个方面，提供了一种终端，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
S1利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；
S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；
S3根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明技术方案，针对惯组载体安装精度不高，惯组输出基准需要转移到一个较高的光学基准上的问题，采用棱镜标校的方法，使惯组的输出以棱镜为基准，具有输出基准精度高，便于后续进行光学瞄准的优点。
2)本发明技术方案，需要通过惯组相对安装基准的输出，以及棱镜相对于安装基准的输出，以获取较高精度的惯组相对于棱镜的输出，其中分别针对惯组相对安装基准和棱镜相对于安装基准的安装误差进行了校正，进一步提高了惯组相对于棱镜输出结果的精确度。
3)本发明技术方案，采用棱镜法线作为棱镜相对于安装基准的误差校正基础，利用发现与坐标系之间的相对关系来确定棱镜与安装基准之间的安装误差，其所获得的安装误差矩阵具有很高的准确度，对于进一步提高惯组相对于棱镜输出结果的精确度具有重要意义。
附图说明
图1是本发明技术方案实施例的基于棱镜的惯组标校方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
本发明提供的基于棱镜的惯组输出标校方法，解决了惯组输出基准转移的问题。一般来说，惯组是安装在载体上的，本实施例中优选不单独考虑惯组与载体之间的安装误差，而是以安装在载体上的惯组与安装基准之间的误差和安装基准与棱镜之间的误差作为主要修正对象。
具体来说，如图1所示，本发明实施例提供基于棱镜的惯组输出标校方法，包括以下几个步骤：
步骤1：计算惯组相对安装基准的输出；
步骤2：计算棱镜法线相对安装基准的安装误差；
步骤3：计算棱镜相对安装基准的误差矩阵；
步骤4：根据误差矩阵计算惯组相对棱镜的输出。
作为本发明的一个实施例，步骤1中计算惯组相对安装基准的输出，具体通过以下步骤实现：
(1a)从陀螺获得载体角速度信息
其中Nwx Nwy Nwz分别为载体在X轴、Y轴、Z轴的陀螺脉冲输出，从加表获得载体的加速度信息
其中Nax Nay Naz分别为载体在X轴、Y轴、Z轴的加速度脉冲输出；
(1b)根据公式
计算惯组的相对安装基准的角速率和加速度信息输出，其中
分别为经过误差补偿后惯组相对安装基准的角速度信息和加速度信息，
分别为陀螺和加表的零位，Tmatrix、Gmatrix分别为陀螺和加表的安装误差补偿矩阵。
作为本发明的一个实施例，步骤2中计算棱镜法线相对安装基准的安装误差，具体通过以下步骤实现：
(2a)计算X轴的安装误差，
其中Kxz、Kxy分别为X轴的棱镜法线在XOZ平面投影与X轴和X轴棱镜法线的夹角；Ysh、Ysv分别为Y轴向上时，棱镜的水平读数和垂直读数，Yxh、Yxv分别为Y轴向下时，棱镜的水平读数和垂直读数；
(2b)计算Y轴的安装误差，
其中Kyx、Kyz分别为Y轴的棱镜法线在XOY平面投影与Y轴和Y轴棱镜法线的夹角；Zsh、Zsv分别为Z轴向上时，棱镜的水平读数和垂直读数，Zxh、Zxv分别为Z轴向下时，棱镜的水平读数和垂直读数；
(2c)计算Z轴的安装误差，
其中Kzy、Kzx分别为Z轴的棱镜法线在YOZ面投影与Z轴和Z轴棱镜法线的夹角；Xsh、Xsv分别为X轴向上时，棱镜的水平读数和垂直读数，Xxh、Xxv分别为X轴向下时，棱镜的水平读数和垂直读数。
作为本发明的一个实施例，步骤3和步骤4计算棱镜相对安装基准的误差矩阵，根据误差矩阵计算惯组相对棱镜的输出。
(3a)根据计算的安装误差和公式
计算安装误差矩阵，其中
为棱镜到安装基准的误差矩阵；
(3b)根据公式
对矩阵进行归一化，其中
为
的转置矩阵。
(3c)根据公式
计算惯组相对棱镜基准的输出，其中
分别为惯组相对棱镜基准的角速度信息和加速度信息。
通过上述公式就可以得到惯组相对棱镜基准的角速度信息和加速度信息。
本发明所实现的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，以陀螺、加表为系统基本传感器，根据其误差补偿矩阵计算陀螺、加表相对惯组安装基准的输出信息；根据棱镜法线和惯组安装基准的安装误差计算棱镜法线和安装基准之间的误差矩阵，从而把惯组的输出基准转移到棱镜基准上，本发明简单巧妙，符合实际需求进步显著且实用性强，具有推广应用价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其特征在于，包括，
S1利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；
S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；具体包括：
S21根据安装基准建立三轴坐标系，将任意轴方向上的棱镜法线投影到剩余两轴所构成的平面上；
S22以三轴坐标系为基准，获取每个坐标轴在竖直状态下棱镜的水平读数和垂直读数；
S23根据坐标轴的状态及其对应的棱镜水平读数和垂直读数，获得该坐标轴方上的棱镜法线在其余两轴所构成平面上的投影与另外两轴的夹角；
S24获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；
所述安装误差矩阵
为：
其中，Kxz、Kxy分别为X轴的棱镜法线在XOZ平面投影与X轴和X轴棱镜法线的夹角；
Kyx、Kyz分别为Y轴的棱镜法线在XOY平面投影与Y轴和Y轴棱镜法线的夹角；
Kzy、Kzx分别为Z轴的棱镜法线在YOZ面投影与Z轴和Z轴棱镜法线的夹角；
S3根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其中，所述步骤S1包括，
S11分别通过陀螺和/或加速度表采集获得惯组相对于安装基准的角速度和/或加速度；
S12根据陀螺和加速度表的安装误差补偿矩阵，分别对陀螺和加速度表采集获得的角速度和加速度信息进行处理；
S13获得惯组相对安装基准的角速度和加速信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其中，陀螺和加速度表采集获得的角速度和加速度信息通过安装误差补偿矩阵以及陀螺和加速度表的零位值进行校正。
4.根据权利要求1所述的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其中，所述步骤S3中，所述安装误差矩阵经过归一化处理，根据归一化后的安装误差矩阵和惯组相对安装基准的输出得到惯组相对棱镜为基准的输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其中，所述安装基准坐标系为正交坐标系。
6.根据权利要求4～5任一项所述的一种基于棱镜的惯组输出标校方法，其中，所述步骤S22中，分别获取每个坐标轴竖直向上和竖直向下状态下，棱镜的水平读数和垂直读数。
7.一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行：
S1利用陀螺和加速度表采集获得惯组的角速度和加速度信息，通过误差补偿矩阵获得惯组相对安装基准的角速度和加速度信息；
S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；具体包括：
S21根据安装基准建立三轴坐标系，将任意轴方向上的棱镜法线投影到剩余两轴所构成的平面上；
S22以三轴坐标系为基准，获取每个坐标轴在竖直状态下棱镜的水平读数和垂直读数；
S23根据坐标轴的状态及其对应的棱镜水平读数和垂直读数，获得该坐标轴方上的棱镜法线在其余两轴所构成平面上的投影与另外两轴的夹角；
S24获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；所述安装误差矩阵
为：
其中，Kxz、Kxy分别为X轴的棱镜法线在XOZ平面投影与X轴和X轴棱镜法线的夹角；
Kyx、Kyz分别为Y轴的棱镜法线在XOY平面投影与Y轴和Y轴棱镜法线的夹角；
Kzy、Kzx分别为Z轴的棱镜法线在YOZ面投影与Z轴和Z轴棱镜法线的夹角；
S3根据惯组相对安装基准的角速度和加速度以及安装误差矩阵，获取惯组以棱镜为基准的输出结果，实现惯组输出的精确校正。
8.一种终端，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
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S2在安装基准坐标系中获取棱镜的水平读数和垂直读数，计算棱镜法线相对于安装基准的安装误差以获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；具体包括：
S21根据安装基准建立三轴坐标系，将任意轴方向上的棱镜法线投影到剩余两轴所构成的平面上；
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S24获取棱镜相对于安装基准的安装误差矩阵；所述安装误差矩阵
为：
其中，Kxz、Kxy分别为X轴的棱镜法线在XOZ平面投影与X轴和X轴棱镜法线的夹角；
Kyx、Kyz分别为Y轴的棱镜法线在XOY平面投影与Y轴和Y轴棱镜法线的夹角；
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