CN112595314A - 一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，其特征在于，包括一个水平加速度计、一个陀螺和一数据处理单元；其中所述水平加速度计，用于实时测量得到惯性导航系统载体所在位置的比力a并将其发送给数据处理单元；所述陀螺，用于实时测量得到的角速度ω并将其发送给数据处理单元；所述数据处理单元，用于根据公式

获得载体所在位置的重力加速度g；f为观测频率。本发明无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，仅使用惯导系统中的一个水平加速度计及一个陀螺即可完成重力加速度的实时测量；且系统的测量精度和观测频率成反比，频率越低，系统的测量精度越高。

Description

一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统

技术领域

本发明涉及一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，可应用于航天、航空、航海及其它民用领域。

背景技术

惯性导航系统是一种应用广泛、原理简单的导航定位系统，一个完整的导航系统由三轴加速度计、三轴陀螺、计算系统及附件组成。惯性导航系统可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统，依据所选取的导航坐标系的不同，平台式惯导系统又可分为空间稳定惯导系统和当地水平惯导系统。当地水平惯导系统尽管只需安装两个加速度计以测量两个水平轴向的比力分量(加速度计测量的是载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差，称作“比力”)，避免了补偿比力中的重力加速度分量，但其需要一个稳定的三轴平台，台面一直和地面平行，难以使用。捷联式惯性导航系统和空间稳定惯导系统的加速度输出信号中会包含重力加速度，而目前用于补偿重力加速度的方法仅仅依靠正常重力场公式，只考虑重力加速度与纬度、高度的关系；实际上地球上的各种物体(如山川、海沟、大型建筑物等)均会影响到重力加速度值，因此，传统方案会引入大量由于重力加速度不准带来的误差，可实时测量重力加速度的惯性导航系统对提高惯导系统的精度和可靠性有重要的意义。

目前重力的实时测量方式主要有绝对重力测量和相对重力测量两大类，绝对重力测量是指用仪器直接测定空间某点的绝对重力值，测量仪器一般都具有体积大、结构复杂等缺点；相对重力测量是指用仪器测定空间两点之间的重力差值，测量仪器原理较为简单且精度高，但是无法获取重力加速度的绝对值(真实值)。本发明中直接利用惯性导航系统中的传感器实时测量绝对重力加速度，无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对目前惯导系统中仅使用正常重力场(仅考虑纬度和高度因素)估算重力加速度的问题，本发明提供了一种实时测量重力加速度的方法及惯性导航系统，并将该方法应用在惯导系统的初始对准和实际解算过程当中。该方法无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，仅使用惯导系统中的一个水平加速度计及一个陀螺即可完成重力加速度的实时测量；且系统的测量精度和观测频率成反比，观测频率越低，系统的测量精度越高。

本发明的技术方案为：

一种实时测量重力加速度的方法，其步骤包括：

1)选择一个水平加速度计及一个敏感轴与之垂直的、固定面与水平加速度计正交的陀螺(如附图1所示，可选陀螺为敏感轴为水平方向的任一陀螺)，见附图1；如果系统本身不存在水平加速度计及对应陀螺，通过坐标系变换归化至水平即可；

2)根据公式

a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ计算初始位置的重力加速度g，以计算所得的重力加速度g作为初始条件，进行惯导系统的初始对准；

3)利用步骤1)所选定的加速度计测量得到惯性导航系统载体所在位置的实时加速度a，利用步骤1)所选定的陀螺测量得到惯性导航系统载体所在位置的实时角速度ω；

4)根据公式

a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ确定载体实时位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。

5)根据步骤4)所测量得到的绝对重力加速度g，代入公式

当中，通过求解微分方程，即可获得修正后的实时速度；其中，

为需要计算的载体速度，

为

的导数，

为加速度计测量的比力a在进行比力坐标转换之后的数值，

为地球自转角速度，

为陀螺仪测量的角速度ω在进行位置坐标转换之后的数值，g为重力加速度。

一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，其特征在于，包括一个水平加速度计、一个陀螺和一数据处理单元；该陀螺的敏感轴垂直于地球重力方向，该水平加速度计的敏感轴为水平方向；其中

所述水平加速度计，用于实时测量得到惯性导航系统载体所在位置的比力a并将其发送给数据处理单元；

所述陀螺，用于实时测量得到的角速度ω并将其发送给数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据公式

获得载体所在位置的重力加速度g；其中，f为观测频率。

进一步的，根据公式

获得载体所在位置的载体的实时速度

其中，

为需要计算的载体速度，

为

的导数，

为加速度计测量的比力a在进行比力坐标转换之后的数值，

为地球自转角速度，

为陀螺仪测量的角速度ω在进行位置坐标转换之后的数值，g为重力加速度。

进一步的，所述惯性导航系统为初始对准后的惯性导航系统。

进一步的，根据公式

a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ计算初始位置的重力加速度g，以重力加速度g作为初始条件，对上述惯导系统进行初始对准。

进一步的，所述惯性导航系统为捷联惯导系统。

进一步的，所述惯性导航系统为空间稳定惯导系统。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明可以在惯性导航系统初始对准及正式工作中，实时测量当地当时的重力加速度，解决了重力加速度估算不准对惯性导航系统精度的制约，提高了系统的可靠性，扩大其在高精度导航要求领域的应用；本发明无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，仅使用捷联惯导系统或空间稳定惯导系统中的一个水平加速度计及一个陀螺即可完成重力加速度的实时测量；且系统的测量精度和观测频率成反比，频率越低，系统的测量精度越高。

附图说明

图1为采用的惯性导航系统的简要框图，由三个加速度计及三个陀螺组成，在本方案中，选取一加速度计和一陀螺作为计算重力加速度的器件。

图2为加速度计的原理示意图，由敏感质量块、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成，符合质量－弹簧－阻尼器系统模型。

图3为存在倾斜时的绝对重力测量原理图，加速度计内部的相对位移受到平移运动及重力两个维度的影响，通过测量旋转运动及平移运动即可通过式(3)得到重力加速度。

图4为惯性导航系统实时测量重力加速度的实施框图，首先选定对应的一轴水平加速度计及一轴陀螺，通过加速度计和陀螺分别测量得到物体的加速度及角速度，最后按照式(9)获得绝对重力加速度值，分别应用在初始对准及运动过程中的载体速度的解算中。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

1、基本原理

(1)惯性导航系统介绍

惯性导航系统由惯性测量单元及计算单元组成，惯性测量单元又包含三个相互正交的加速度计和三个相互正交的陀螺。传统的惯性导航系统主要有三个步骤，第一步先进行初始对准，需要手动输入待测地点的重力加速度和地球自转速度在地理坐标系中的精确值；第二步由三个陀螺获取的角速度信息计算出载体的姿态矩阵；第三步为将三个加速度计测量所得的比力值通过姿态矩阵变换到导航坐标系中；第四步即可求解出载体的速度和位置信息。

(2)加速度介绍

惯性导航系统中采用加速度计作为测量运载体线加速度的传感器，一般来说，加速度计由敏感质量块、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成，符合质量－弹簧－阻尼器系统模型，示意图如附图2所示，该系统输出位移和输入加速度之间的传递函数关系表达式为：

其中：s为信号的拉普拉斯复频率，s＝j2πf，f为观测频率；u为阻尼比，是无量纲参量；ω₀为系统在无阻尼状态下的固有频率，具有角速度的量纲。

天然存在的旋转地震波、设备本身的倾斜等原因都会导致如附图3所示的旋转运动θ，加速度计对倾斜很敏感，重力引起的倾斜耦合作用会沿仪器传感轴施加一个随倾斜量而变的力，此时加速度计内部的相对位移受到平移运动及重力两个维度的影响，相应的表达式为：

δ(s)＝[s²d+gθ]·H(s) (2)

其中，式中变量均为在拉普拉斯域中的表达式；δ(s)为加速度计内部质量块的相对位移；d为物体的输入位移；g为重力加速度；θ为水平面(xoy面)的夹角。

由此可得：

2、初始对准

惯性导航系统是一种自主性导航系统，启动后不需要人工干预输入外部信息，但是在正式进入导航工作状态前，需要给定初始条件，即位置、初始速度、姿态矩阵等等，很显然初始对准的精度对惯导系统的精度具有直接且巨大的影响。

目前惯导系统的初始对准需要直接输入待测地点的重力加速度在地理坐标系中的精确值，但由于旋转地震波、地球上海水、建筑的影响，都会使得这个输入的常数与当地实际值存在较大差距，影响初始对准的精度。

在惯性导航系统中，直接可测量量是加速度计测量的比力a及陀螺仪测量的角速度ω，可以通过对式(3)进行求导得到相应的表达式，即：

a＝(j2πf)²d (4)

ω＝j2πfθ (5)

运用拉普拉斯变换的性质，式(3)可以改写为：

因此，根据式(6)所描述的线加速度、角速度及重力加速度的关系，在惯性导航系统正式进入工作状态前，即可测量得到当地的重力加速度，将测量值代入到初始对准过程中，进行精准初始对准。

3、实时测量

在惯性导航系统中，首先利用陀螺仪测量的角速度来计算载体的姿态矩阵，然后把加速度计测量的比力通过姿态矩阵变换到导航坐标系中，即可求解出载体的速度和位置信息，在整个过程中，求解载体速度会涉及到重力加速度的估算，表达式为：

其中，式中变量均为在导航坐标系下的分量，

为加速度计测量的比力a在进行比力坐标转换之后的数值；

为地球自转角速度；

为陀螺仪测量的角速度ω在进行位置坐标转换之后的数值；

为需要计算的载体速度；

为

的一阶导数；g为重力加速度。

在传统的惯性导航系统当中：

其中，g₀＝9.7803，

为纬度，H为高度，A，B均为常数。可以看到，传统的惯性导航系统中重力加速度的值仅考虑其与纬度和高度的关系，精度无法适应适应实际需求。

在本发明的技术方案中：

由此，惯性导航系统在正式工作过程中，根据选定轴的加速度计及陀螺输出，就可以实时测量得到对应的重力加速度，并进一步将其代入至速度解算方程中，提高惯性导航系统的导航定位精度，具体实施方案如附图4所示。

本发明的实施方式如附图1的框图所示。如前述，本发明提供的在惯性导航系统中实时测量重力加速度的方案基于加速度计和陀螺的测量值，而后再经由式(9)获得绝对重力加速度。

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 (6)

1.一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，其特征在于，包括一个水平加速度计、一个陀螺和一数据处理单元；该陀螺的敏感轴垂直于地球重力方向，该水平加速度计的敏感轴为水平方向；其中

所述水平加速度计，用于实时测量得到惯性导航系统载体所在位置的比力a并将其发送给数据处理单元；

所述陀螺，用于实时测量得到的角速度ω并将其发送给数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据公式

获得载体所在位置的重力加速度g；其中，f为观测频率。

2.如权利要求1所述的惯性导航系统，其特征在于，根据公式

获得载体所在位置的载体的实时速度

其中，

为载体速度，

为

的导数，

为加速度计测量的比力a在进行比力坐标转换之后的数值，

为地球自转角速度，

为陀螺仪测量的角速度ω在进行位置坐标转换之后的数值，g为重力加速度。

3.如权利要求1所述的惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统为初始对准后的惯性导航系统。

4.如权利要求3所述的惯性导航系统，其特征在于，根据公式

a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ计算初始位置的重力加速度g，以重力加速度g作为初始条件，对上述惯导系统进行初始对准。

5.如权利要求1所述的惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统为捷联惯导系统。

6.如权利要求1所述的惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统为空间稳定惯导系统。

Images