CN112254725B - 一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置及方法，属于实时定向测姿技术领域，包括：惯组；双轴转台，模拟天线转塔使用环境，与惯组电性连接，驱动惯组转动；测试上位机，电性连接惯组，用以发送控制指令，同时进行数据采集以及数据处理。本发明为了同时满足体积小和姿态测量实时性的要求，采用无内置转位机构的纯捷联惯组，取消内置转位机构可有效缩减设备体积和重量，同时去除IMU和底座之间的转位机构这一柔性环节，能够提高惯组测姿的实时性；为了不降低惯组的对准精度，本发明利用天线转塔进行两位置转停的旋转调制，从而实现高精度定向测姿功能。

Description

一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置及方法

技术领域

本发明涉及实时定向测姿技术领域，更具体地说，涉及一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置及方法。

背景技术

捷联惯性测量组合(以下简称“惯组”)是广泛应用于火箭、导弹、飞机等上的方位、姿态测量设备，为了提高定向和测姿精度，通常采用三支高精度激光陀螺仪和石英挠性加速度计构成惯性测量单元(以下简称“IMU”)，根据陀螺仪敏感到的地球自转角速度分量和加速度计敏感到的重力分量进行综合解算，得到北向方位角和姿态角。

传统捷联惯组中IMU直接与载体固连，对准精度受惯性器件零偏影响较大，现有捷联惯组大多将IMU安装在内置转位机构上，对准技术可分为粗对准和精对准两个阶段，通过多位置转停的旋转调制方法抵消惯性器件零偏的影响，得到高精度的方位和姿态信息，但这种结构体积和重量较大，不适用于天线转塔的姿态测量。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置及方法，为了同时满足体积小和姿态测量实时性的要求，本发明采用无内置转位机构的纯捷联惯组，取消转位机构可有效缩减设备体积和重量，同时去除IMU和底座之间的转位机构这一柔性环节，能够提高惯组测姿的实时性，为了不降低惯组的对准精度，本发明利用天线转塔进行两位置转停的旋转调制，从而实现高精度定向测姿功能。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明充分利用天线转塔的使用环境，省去了惯组内部转位机构，利用转塔进行两位置对准，保持高精度测姿的同时减小了设备的体积和重量，且减少转位机构这一姿态传递环节，提高了IMU姿态实时性。当天线转塔处于运动状态时，动态测姿精度不仅与惯组内部姿态测量精度有关，还与时间对准和时间同步精度有关，因此本发明在算法设计中，考虑了惯组输出相位滞后问题和时间对准与同步问题，实现与天线转塔测角机构的同步，实时输出天线转塔的姿态。

本发明采用基于凝固坐标系的动基座粗对准技术和基于Kalman滤波器的两位置旋转调制精对准技术，姿态更新算法中采用多子样旋转矢量算法，能够减小划船误差，提高惯组定向测姿精度。通过对惯组的安装位置进行标定，使得IMU天向敏感轴与天线转塔天向转轴保持平行，在两位置转停的旋转调制过程中，惯组计算并给天线转塔发送需要转动的角度，天线转塔转到第一位置时返回到位信息，惯组开始采集数据并解算，然后惯组给天线转塔发送转动180°指令，天线转塔到位后返回信息，惯组开始在第二位置采集数据并解算；最后惯组给天线转塔发送返回初始位置指令，并计算寻北结果。为了保证惯组对准精度，天线转塔需要满足以下要求：

(1)10s内能够转动180°，速度不大于50°/s，加速度不大于20°/s²；

(2)定位精度不大于2"；

本发明采用IIR陷波器与低阶FIR低通滤波器相结合的方法对惯组采集的数据进行处理，先用IIR陷波器滤除激光陀螺特定频率的机械抖动信号，再用低阶FIR低通滤波器滤除残余的抖动信号和高频噪声，由于陷波器延时小、FIR低通滤波器具有线性相位延迟特性，相比于传统直接采用高阶FIR滤波方法，所述组合滤波方法能够减小滤波器相位滞后导致的时间延迟，提高姿态测量的实时精度。

本发明具备两种对时方式，一种是利用卫星接收机的秒脉冲和串口数据对时，秒脉冲提供时间基准，串口提供UTC时间和定位信息；另外一种是外部时统IRIG-B码对时方式，使用脉宽计数方法、基于FPGA设计B码解码器，从而实现仅由一路信息通道同时获得准确的时间信息和时间基准，惯组在工作时，由外部输入指令控制天线对时方式选择的优先级，高优先级天线对时无效时自动选用低优先级天线对时方式，以实现双冗余、高精度的时间精确和统一，每种对时方式均具备以下两种功能：一种是实时对时功能，即卫星信号正常情况下，惯组通过秒脉冲或者B码实时进行时间校准；一种是精确守时功能，即卫星信号失锁时，惯组(1)依据最新对时信息，由惯组本地高品质晶振进行守时；

本发明采用FPGA精确控制同步信号和惯组姿态信息之间的时间相位关系，结合图2和图4进行说明，导航计算机板中断时钟频率为f_clk，分频后得到惯性器件数据采集和滤波处理的频率f₁，姿态更新频率f₂，通讯板产生同步信号频率f₃，同时输出相同频率的时间数据(数据滞后同步信号上升沿的时间远小于同步周期)，导航计算机板在同步信号上升沿t_S1,t_S2,…处锁存姿态信息，并在收到时间数据时输出带有时间标签的姿态信息，以此实现姿态与时间的同步。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

充分利用安装使用环境，基于天线转塔进行两位置转停的旋转调制，保证对准精度的同时简化了惯组结构设计，减小惯组体积和重量；使用陷波器分担一部分FIR低通滤波器的工作，从而减小数据处理的时间延迟，提高姿态测量的实时精度；采用外部时统B码和秒脉冲、串口数据双冗余授时方式，保证时间的精确和统一；通过FPGA硬件同步机制实现带有时间标签的姿态信息输出。

附图说明

图1为本发明的结构功能框图；

图2为本发明惯组接口功能框图；

图3为本发明实施例流程图，图中所述“1#”为导航计算机板，“2#”为通讯板；

图4为本发明中时间与姿态硬件同步原理图。

图中标号说明：

1、惯组；11、导航计算机板；12、通讯板；13、卫星接收机；14、外部接口；2、双轴转台；3、测试上位机；4、供电电源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

本发明利用双轴转台2等效天线转塔提供转位功能，双轴转台2位置精度为2″，将惯组1安装在双轴转台上，具体的硬件连接请参阅图1和图2，其具体硬件包括：

导航计算机板11；

通讯板12，所述通讯板12通过串口数据与导航计算机板11双向连接、以及通过同步脉冲信号与导航计算机板11单向连接；

卫星接收机13，所述卫星接收机13通过串口数据与通讯板12双向连接、以及通过秒脉冲信号与通讯板12单向连接；

外部接口14，所述导航计算机板11通过UTC时间、姿态信息和外部输入指令与外部接口14双向连接，通讯板12通过同步脉冲信号与外部接口14单向连接，所述外部接口14通过IRIG-B码与通讯板12单向连接。

双轴转台2，模拟天线转塔使用环境，与所述惯组1电性连接，驱动惯组1转动；

测试上位机3，惯组1与测试上位机3之间通过测试电缆电性连接，用以发送控制指令，同时进行数据采集以及数据处理；

供电电源4，与惯组1之间通过测试电缆电性连接，为惯组供电。

请参阅图3，一种基于天线转塔的高精度实时测姿方法，实施例包括如下步骤：

S1、惯组1上电，系统初始化完成后进入就绪状态，导航计算机板11向测试上位机3发送就绪数据帧；

S2、测试上位机3发送自检指令，惯组1自检后回复自检结果；

S3、自检完成后，测试上位机3发送天线优先级选取指令，控制惯组1优先选择外部时统B码对时方式还是秒脉冲、串口数据对时方式，当高优先级天线对时方式无效时选择低优先级天线对时方式，惯组1返回天线选用结果，当两个天线均对时无效时，惯组1返回天线故障状态；

S4、对时完成后，测试上位机3发送对准指令，系统进入对准状态，首先系统给双轴转台2发送转到第一位置指令，双轴转台2到位后系统开始采集数据并解算，然后系统给双轴转台2发送转动180°指令，双轴转台2到位后系统开始在第二位置采集数据并解算，最后双轴转台2返回初始位置，系统计算寻北结果，随即进入导航状态；

S5、当系统进入导航状态后，测试上位机3发送同步指令，通讯板12输出伴随同步脉冲信号的时间数据，导航计算机11收到同步信号上升沿时锁存惯组1姿态信息，收到时间数据时，将时间和锁存的姿态信息发送到测试上位机3，当外部接口14接收到同步脉冲信号和带有时间标签的姿态数据时，惯组1即实现所述的高精度实时姿态同步输出功能；

S6、测试上位机3发送停止导航指令，惯组1切回就绪状态，可重新进行天线选取、对准、同步等操作。

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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，包括：

惯组（1）；

双轴转台（2），模拟天线转塔使用环境，与所述惯组（1）电性连接，驱动惯组（1）转动；以及测试上位机（3），电性连接所述惯组（1），用以发送控制指令，同时进行数据采集以及数据处理；

所述惯组（1）包括：

导航计算机板（11）；通讯板（12），所述通讯板（12）通过串口数据与导航计算机板（11）双向连接、卫星接收机（13），所述卫星接收机（13）通过串口数据与通讯板（12）双向连接、以及通过秒脉冲信号与通讯板（12）单向连接；以及外部接口（14），所述导航计算机板（11）通过UTC时间、姿态信息和外部输入指令与外部接口（14）双向连接；

所述通讯板（12）还通过同步脉冲信号与导航计算机板（11）单向连接；

所述通讯板（12）通过同步脉冲信号与外部接口（14）单向连接；

所述的基于天线转塔的高精度实时测姿装置，执行如下步骤：

S1、惯组（1）上电，系统初始化完成后进入就绪状态，导航计算机板（11）向测试上位机（3）发送就绪数据帧；

S2、测试上位机（3）发送自检指令，惯组（1）自检后回复自检结果；

S3、自检完成后，测试上位机（3）发送天线优先级选取指令，控制惯组（1）优先选择外部时统B码对时方式还是秒脉冲、串口数据对时方式，当高优先级天线对时方式无效时选择低优先级天线对时方式，惯组（1）返回天线选用结果，当两个天线均对时无效时，惯组（1）返回天线故障状态；

S4、对时完成后，测试上位机（3）发送对准指令，系统进入对准状态，首先系统给双轴转台（2）发送转到第一位置指令，双轴转台（2）到位后系统开始采集数据并解算，然后系统给双轴转台（2）发送转动180°指令，双轴转台（2）到位后系统开始在第二位置采集数据并解算，最后双轴转台（2）返回初始位置，系统计算寻北结果，随即进入导航状态；

S5、当系统进入导航状态后，测试上位机（3）发送同步指令，通讯板（12）输出伴随同步脉冲信号的时间数据，导航计算机（11）收到同步信号上升沿时锁存惯组（1）姿态信息，收到时间数据时，将时间和锁存的姿态信息发送到测试上位机（3），当外部接口（14）接收到同步脉冲信号和带有时间标签的姿态数据时，惯组（1）即实现所述的高精度实时姿态同步输出功能；

S6、测试上位机（3）发送停止导航指令，惯组（1）切回就绪状态，重新进行天线选取、对准、同步操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，所述外部接口（14）通过IRIG-B码与通讯板（12）单向连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，所述惯组（1）采用无内置转位机构的纯捷联惯组，所述导航计算机板（11）通过IIR陷波器和低阶FIR低通滤波器相结合的方法对惯组（1）采集的数据进行处理，减小滤波器相位滞后导致的时间延迟。

4.根据权利要求1所述的一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，所述惯组（1）与双轴转台（2）之间还通过测试电缆电性连接，所述双轴转台（2）模拟天线转塔驱动惯组（1）转动，进行两位置转停的旋转调制，从而实现高精度定向测姿功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，具备秒脉冲、串口数据和外部时统B码两种授时方式，以实现双冗余、高精度的时间精确和统一。

6.根据权利要求1所述的一种基于天线转塔的高精度实时测姿装置，其特征在于，采用FPGA精确控制同步信号和惯组姿态信息之间的时间相位关系，实现带有时间戳的姿态信息输出。

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