CN111537002A - 一种激光捷联惯组安装误差的标定方法和定向方法 - Google Patents

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CN111537002A CN202010548724.5A CN202010548724A CN111537002A CN 111537002 A CN111537002 A CN 111537002A CN 202010548724 A CN202010548724 A CN 202010548724A CN 111537002 A CN111537002 A CN 111537002A
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Abstract

本发明提供了一种激光捷联惯组安装误差的标定方法和定向方法，解决现有固联的激光捷联惯组测量存在误差的技术问题。包括：建立激光捷联惯组坐标系b相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000011
建立所述发射架坐标系B相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000012
根据所述姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000013
和所述姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000014
形成所述激光捷联惯组坐标系b相对于所述导航坐标系n的姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000015
根据所述姿态矩阵
Figure DDA0002541709560000016
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定俯仰安装误差和横滚安装误差。从实现过程可以看出，该标定方法与对准精度无关，短时内惯组导航精度高，标定简单易行，不需额外的高精度寻北仪辅助测量。

Description

一种激光捷联惯组安装误差的标定方法和定向方法
技术领域
本发明涉及定向技术领域，具体涉及一种激光捷联惯组安装误差的标定方法。
背景技术
现有技术中，为提高倾斜发射系统的初始瞄准精度，通过将测量姿态的激光捷联惯组与发射架固联的安装方式减少中间传递环节所带来的误差，激光捷联惯组随发射架起竖而具有俯仰运动，激光捷联惯组在俯仰运动中实时测量出发射架的方位角。激光捷联惯组与发射架之间存在安装误差，具体表现为：在发射车调平工况下，发射架起竖过程中，发射架载体系方位角应保持不变，而实际上由于激光捷联惯组的方位轴不平行于发射架的方位轴(即二者之间存在安装误差)，造成发射架在起竖过程中，激光捷联惯组输出方位角不能准确反映发射架的方位角。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种激光捷联惯组安装误差的标定方法和定向方法，解决现有固联的激光捷联惯组测量存在误差的技术问题。
本发明实施例的激光捷联惯组安装误差的标定方法，包括：
建立激光捷联惯组坐标系b相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000011
建立所述发射架坐标系B相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000012
根据所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000013
和所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000014
形成所述激光捷联惯组坐标系b相对于所述导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000015
根据所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000016
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定俯仰安装误差和横滚安装误差。
本发明一实施例中，还包括：
定义虚拟坐标系v相对于所述发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000021
根据所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000022
和所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000023
形成所述虚拟坐标系v相对于所述导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000024
根据所述姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000025
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定方向安装误差。
本发明实施例的倾斜发射装置的定向方法，包括：
根据发射架调平工况时激光捷联惯组输出的调平俯仰角和调平横滚角形成发射架的俯仰安装误差和横滚安装误差；
根据所述发射架起竖过程启停时所述激光捷联惯组输出的起竖俯仰角和起竖横滚角形成所述发射架竖起的方向安装误差；
根据所述方向安装误差、所述俯仰安装误差和所述横滚安装误差形成所述发射架相对所述激光捷联惯组的误差姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000026
根据所述误差姿态矩阵形成发射架坐标系相对导航坐标系的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000027
本发明实施例的激光捷联惯组安装误差的标定方法和定向方法采用激光捷联惯组在发射架调平工况下，进行水平安装误差标定，不受激光捷联惯组水平姿态误差影响，水平安装误差标定完成后，将发射架起竖，记录相关数据，通过简单计算得到方向安装误差补偿量。从实现过程可以看出，该标定方法与对准精度无关，短时内惯组导航精度高，标定简单易行，不需额外的高精度寻北仪辅助测量。
附图说明
图1所示为本发明一实施例激光捷联惯组安装误差的标定方法的处理流程示意图。
图2所示为本发明一实施例倾斜发射装置的定向方法的处理流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员可以理解，激光捷联惯组利用激光陀螺和加速度计的信息进行初始对准，输出的姿态信息包括方位角和水平姿态角，水平姿态角包括俯仰角和横滚角。导航坐标系n相对于激光捷联惯组坐标系b的姿态信息通过捷联解算能实时得到。激光捷联惯组的姿态是通过姿态矩阵来表征的，激光捷联惯组的空间姿态通过三次连续欧拉角旋转得到，可以看做依次绕方位轴(z轴)、俯仰轴(x轴)、横滚轴(y轴)做基本旋转后的复合结果，其中绕z轴旋转方位角
Figure BDA0002541709540000031
绕x轴旋转俯仰角θ，绕y轴旋转横滚角γ，各次基本旋转对应的变换矩阵为：
Figure BDA0002541709540000032
因此导航系n相对于激光捷联惯组坐标系b的姿态矩阵为：
Figure BDA0002541709540000033
基于姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000034
为表示三个坐标轴的正交矩阵，姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000035
与其偏置矩阵
Figure BDA0002541709540000041
存在
Figure BDA0002541709540000042
因此，激光捷联惯组坐标系b相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000043
为：
Figure BDA0002541709540000044
本发明一实施例激光捷联惯组安装误差的标定方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：
步骤100：建立激光捷联惯组坐标系b相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000045
本领域技术人员可以理解，由于安装误差的存在使得激光捷联惯组(载体)坐标系b和发射架(载体)坐标系B不重合，而安装误差μ的分量μx、μy和μz都为小量。因此发射架坐标系B相对于激光捷联惯组坐标系b的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000046
可以表示为：
Figure BDA0002541709540000047
基于姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000048
为表示三个坐标轴的正交矩阵，因此姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000049
与其偏置矩阵
Figure BDA00025417095400000410
存在
Figure BDA00025417095400000411
因此，激光捷联惯组坐标系b相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000412
为：
Figure BDA00025417095400000413
步骤200：建立发射架坐标系B相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000414
本领域技术人员可以理解，根据发射架坐标系B与激光捷联惯组坐标系b仅存在小量差异，因此采用姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000415
可以表示为：
Figure BDA0002541709540000051
步骤300：根据姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000052
和姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000053
形成激光捷联惯组坐标系b相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000054
姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000055
作为误差姿态矩阵。
姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000056
表示如下：
Figure BDA0002541709540000057
步骤400：根据姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000058
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定俯仰安装误差和横滚安装误差。
本领域技术人员可以理解，发射架调平可以采用横滚角γ调平-俯仰角θ调平的顺序逐步获得，在实现调平工况时标定与俯仰安装误差和横滚安装误差对应的俯仰角和横滚角。具体调平过程表示如下：
发射架的横滚角γ调整为零：
Figure BDA0002541709540000059
姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000510
的矩阵元素序号简化标记作：
Figure BDA00025417095400000511
发射架的俯仰角θ调整为零：
Figure BDA0002541709540000061
步骤500：定义虚拟坐标系v相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000062
根据姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000063
和姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000064
形成虚拟坐标系v相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000065
虚拟坐标系v相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000066
表示如下：
Figure BDA0002541709540000067
虚拟坐标系v相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000068
表示如下：
Figure BDA0002541709540000069
步骤600：根据姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000610
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定方向安装误差。
本领域技术人员可以理解，发射架调平可以采用横滚角γ调平-俯仰角θ调平的顺序逐步获得，在实现调平工况时标定与俯仰安装误差和横滚安装误差对应的俯仰角和横滚角。具体调平过程表示如下：
发射架的横滚角γ调整为零：
Figure BDA00025417095400000611
姿态矩阵
Figure BDA00025417095400000612
的矩阵元素序号简化标记作：
Figure BDA00025417095400000613
发射架的俯仰角θ调整为零：
Figure BDA0002541709540000071
本发明实施例的激光捷联惯组安装误差的标定方法采用激光捷联惯组在发射架调平工况下，进行水平安装误差标定，不受激光捷联惯组水平姿态误差影响，水平安装误差标定完成后，将发射架起竖，记录相关数据，通过简单计算得到方向安装误差补偿量。从实现过程可以看出，该标定方法与对准精度无关，短时内惯组导航精度高，标定简单易行，不需额外的高精度寻北仪辅助测量。
本发明一实施例倾斜发射装置的定向方法如图2所示。在图2中，本实施例包括：
步骤700：根据发射架调平工况时激光捷联惯组输出的调平俯仰角和调平横滚角形成发射架的俯仰安装误差和横滚安装误差。
本领域技术人员可以理解，发射架调平工况时发射架的x轴和y轴可以采用现有仪器保持水平状态。当固联的激光捷联惯组在发射架调平工况时存在非零输出可以判断存在安装误差，在x、y两个轴向上的误差可以利用激光捷联惯组的非零输出量化。水平安装误差以激光捷联惯组输出的俯仰角μx和横滚角μy表示为：
Figure BDA0002541709540000072
其中θ′为激光捷联惯组输出的绕发射架x轴旋转的俯仰角，γ′为激光捷联惯组输出的绕发射架y轴旋转的横滚角。
步骤800：根据发射架起竖过程启停时激光捷联惯组输出的起竖俯仰角和起竖横滚角形成发射架竖起的方向安装误差。
本领域技术人员可以理解，根据姿态矩阵可以推导出各方向安装误差角度间的转换关系，根据俯仰角误差和横滚角误差可以获得方向角误差，发射架起竖过程中水平起始时的方向安装误差μz以水平时激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角表示为：
Figure BDA0002541709540000081
其中水平的方向安装误差μz为等效的绕发射架z轴旋转的方位角。
假设发射架水平时和起竖时的俯仰角和横滚角误差一致。为了克服发射架起竖过程中激光捷联惯组姿态输出存在的精度误差，方向安装误差μz以起竖过程中发射架水平和竖起时输出的俯仰角和横滚角表示为：
Figure BDA0002541709540000082
其中竖起后的俯仰角和横滚角为θ′1和γ′1，水平时的俯仰角和横滚角为θ′0和γ′0。
步骤900：根据方向安装误差、俯仰安装误差和横滚安装误差形成发射架相对激光捷联惯组的误差姿态矩阵，根据误差姿态矩阵形成发射架坐标系相对导航坐标系的姿态矩阵。
发射架坐标系B相对于激光捷联惯组坐标系b的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000083
表示如下：
Figure BDA0002541709540000084
将激光捷联惯组姿态输出测得的方向安装误差、俯仰安装误差和横滚安装误差填入姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000085
形成误差姿态矩阵。
激光捷联惯组坐标系b相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000086
简化标记作：
Figure BDA0002541709540000087
通过姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000088
可以获得激光捷联惯组坐标系b相对于导航坐标系n的姿态角，包括方位角
Figure BDA0002541709540000089
俯仰角θ和横滚角γ，表示如下：
Figure BDA0002541709540000091
发射架坐标系B相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure BDA0002541709540000092
根据矩阵链乘法则可以表示如下：
Figure BDA0002541709540000093
本发明实施例的倾斜发射装置的倾斜定向方法利用发射架调平工况准确标定激光捷联惯组的安装误差数据，并形成误差姿态矩阵进行误差补偿。利用现有惯导姿态矩阵的成熟运算过程将激光捷联惯组的方位角误差在起竖过程中消除，使得激光捷联惯组的测量输出可以准确地反映出发射架的方位角。
在本发明一实施例中，为了克服激光捷联惯组测量精度造成的误差，采用以下方法获得形成误差姿态矩阵的方向安装误差、俯仰安装误差和横滚安装误差的测量值：
步骤a01：将发射架调平；
步骤a02：激光捷联惯组开机寻北，记录输出的俯仰角θi和横滚角γi；
步骤a03：重复步骤a02，获取若干组俯仰角θi和横滚角γi后对俯仰角θi和横滚角γi分别取平均值后形成俯仰安装误差μx和横滚安装误差μy。
步骤a04：激光捷联惯组开机寻北，开始发射架起竖过程，记录起竖水平起始点的俯仰角θ0i和横滚角γ0i和发射架起竖到位点的俯仰角θ1i和横滚值γ1i，形成单次方向安装误差角μzi；
步骤a05：重复步骤a04，获得若干单次方向安装误差角μzi后取平均值形成方向安装误差μz。
本发明实施例的倾斜发射装置的倾斜定向方法有利于消除激光捷联惯组的系统误差，克服发射架受环境干扰因素引入的操作误差。
本发明一实施例的激光捷联惯组安装误差的标定方法，包括：
存储器，用于存储上述实施例激光捷联惯组安装误差的标定方法处理过程的程序代码；
处理器，用于执行上述实施例激光捷联惯组安装误差的标定方法处理过程的程序代码。
本发明一实施例的倾斜发射装置的定向方法，包括：
存储器，用于存储上述实施例倾斜发射装置的定向方法处理过程的程序代码；
处理器，用于执行上述实施例倾斜发射装置的定向方法处理过程的程序代码。
处理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，包括：
建立激光捷联惯组坐标系b相对于发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000011
建立所述发射架坐标系B相对于导航坐标系n的姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000012
根据所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000013
和所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000014
形成所述激光捷联惯组坐标系b相对于所述导航坐标系n的姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000015
根据所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000016
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定俯仰安装误差和横滚安装误差。
2.如权利要求1所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，还包括：
定义虚拟坐标系v相对于所述发射架坐标系B的姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000017
根据所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000018
和所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000019
形成所述虚拟坐标系v相对于所述导航坐标系n的姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000110
根据所述姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000111
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定方向安装误差。
3.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000112
通过一下过程形成：
根据所述发射架坐标系B相对于所述激光捷联惯组坐标系b的姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000113
进行转置获得，所述姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000114
为：
Figure FDA00025417095300000115
其中，μx为俯仰安装误差，μy为横滚安装误差，μz为方向安装误差。
4.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述姿态矩阵
Figure FDA00025417095300000116
为：
Figure FDA0002541709530000021
5.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000022
为：
Figure FDA0002541709530000023
6.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述根据所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000024
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定俯仰安装误差和横滚安装误差包括：
发射架的横滚角γ调整为零：
Figure FDA0002541709530000025
发射架的俯仰角θ调整为零：
Figure FDA0002541709530000026
7.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000027
为：
Figure FDA0002541709530000028
所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000031
为：
Figure FDA0002541709530000032
8.如权利要求2所述的激光捷联惯组安装误差的标定方法，其特征在于，所述根据所述姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000033
在发射架调平工况中的俯仰角和横滚角变化获得所述激光捷联惯组输出的俯仰角和横滚角标定方向安装误差包括：
发射架的横滚角γ调整为零：
Figure FDA0002541709530000034
发射架的俯仰角θ调整为零：
Figure FDA0002541709530000035
9.一种倾斜发射装置的定向方法，其特征在于，包括：
根据发射架调平工况时激光捷联惯组输出的调平俯仰角和调平横滚角形成发射架的俯仰安装误差和横滚安装误差；
根据所述发射架起竖过程启停时所述激光捷联惯组输出的起竖俯仰角和起竖横滚角形成所述发射架竖起的方向安装误差；
根据所述方向安装误差、所述俯仰安装误差和所述横滚安装误差形成所述发射架相对所述激光捷联惯组的误差姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000036
根据所述误差姿态矩阵形成发射架坐标系相对导航坐标系的姿态矩阵
Figure FDA0002541709530000037
10.如权利要求9所述的倾斜发射装置的定向方法，其特征在于，形成形成所述误差姿态矩阵的所述方向安装误差、所述俯仰安装误差和所述横滚安装误差的测量值包括：
步骤a01：将发射架调平；
步骤a02：激光捷联惯组开机寻北，记录输出的俯仰角θi和横滚角γi；
步骤a03：重复步骤a02，获取若干组俯仰角θi和横滚角γi后对俯仰角θi和横滚角γi分别取平均值后形成俯仰安装误差μx和横滚安装误差μy；
步骤a04：激光捷联惯组开机寻北，开始发射架起竖过程，记录起竖水平起始点的俯仰角θ0i和横滚角γ0i和发射架起竖到位点的俯仰角θ1i和横滚值γ1i，形成单次方向安装误差角μzi；
步骤a05：重复步骤a04，获得若干单次方向安装误差角μzi后取平均值形成方向安装误差μz。
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