发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术中捷联惯导系统获得的重力加速度精度较低的不足,提供一种适用于捷联惯导系统的重力加速度测量方法及系统,能够获得高精度的重力加速度测量结果。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种适用于捷联惯导系统的重力加速度测量方法,所述捷联惯导系统中设有X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计,其中X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计分别对应设于加速度坐标系的X方向、Y方向、Z方向,加速度坐标系满足右手定则;X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计均设于转位机构上;其特点是包括以下步骤:
步骤1,转位机构转动至第一位置;
步骤2,在静态测量条件下,X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计各采样获得第一位置的n1个原始数据,其中第一位置处的采样间隔时间为Δt1;
步骤3,转位机构绕水平轴转动180°至第二位置;
步骤4,在静态测量条件下,X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计各采样获得第二位置的n2个原始数据,其中第二位置处的采样间隔时间为Δt2;
步骤5,基于步骤2和步骤4中获得的原始数据进行计算,输出重力加速度值g。
借由上述方案,本发明利用捷联惯导系统内嵌的转位机构,通过在两个相差180°的位置进行静态采集,通过计算可以消除加速度计引入的重力加速度测量误差,从而能够获得高精度的重力加速度测量结果。
作为一种优选方式,所述步骤5中,
其中,Kzx为X向加速度计相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kyx为X向加速度计相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kzy为Y向加速度计相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kxy为Y向加速度计相对于加速度坐标系X轴的安装误差,Kyz为Z向加速度计相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kxz为Z向加速度计相对于加速度坐标系X轴的安装误差,K1x为X向加速度计的标度因数,K1y为Y向加速度计的标度因数,K1z为Z向加速度计的标度因数,K0x为X向加速度计的零偏,K0y为Y向加速度计的零偏,K0z为Z向加速度计的零偏;
为X向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据;
为X向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据。
借由上述方法,本发明先对加速度计的输出进行标定参数补偿,再求得第一位置和第二位置处的重力加速度值,最后通过对两个位置的计算结果取均值,得到最终的重力加速度值g,测量精度高,测量过程简单。
进一步地,所述步骤1中,在转位机构转动至第一位置后锁定转位机构;所述步骤3中,先解锁再转动转位机构,且在转位机构转动至第二位置后锁定转位机构。
作为一种优选方式,所述第一位置为捷联惯导系统的天向位置或者地向位置。
通过在天向位置与地向位置两个相差180°的位置进行静态采集,通过计算消除加速度计的测量误差,效果最优。
基于同一个发明构思,本发明还提供了一种适用于捷联惯导系统的重力加速度测量系统,所述捷联惯导系统中设有控制器、控制电路、X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计,其中X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计分别对应设于加速度坐标系的X方向、Y方向、Z方向,加速度坐标系满足右手定则;X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计均设于转位机构上;控制器通过控制电路与转位机构相连,控制器用于通过控制电路控制转位机构是否转动;其特点是还包括存储单元和输出单元,控制器内设有计算单元;其中:
X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计均用于在转位机构处于第一位置时,在静态测量条件下,各采样获得第一位置的n1个原始数据并将第一位置对应的原始数据发送至控制器,其中第一位置处的采样间隔时间为Δt1;X向加速度计、Y向加速度计、Z向加速度计均用于在转位机构处于第二位置时,在静态测量条件下,各采样获得第二位置的n2个原始数据并将第二位置对应的原始数据发送至控制器,其中第二位置处的采样间隔时间为Δt2;转动机构以第一位置为起点绕水平轴转动180°后到达第二位置;
存储单元:用于存储控制器发送的第一位置对应的原始数据和第二位置对应的原始数据;
计算单元:用于基于第一位置对应的原始数据和第二位置对应的原始数据进行计算以获得重力加速度值g;
输出单元:用于输出重力加速度值g。
作为一种优选方式,所述计算单元通过下式计算获得重力加速度值g:
其中,Kzx为X向加速度计相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kyx为X向加速度计相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kzy为Y向加速度计相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kxy为Y向加速度计相对于加速度坐标系X轴的安装误差,Kyz为Z向加速度计相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kxz为Z向加速度计相对于加速度坐标系X轴的安装误差,K1x为X向加速度计的标度因数,K1y为Y向加速度计的标度因数,K1z为Z向加速度计的标度因数,K0x为X向加速度计的零偏,K0y为Y向加速度计的零偏,K0z为Z向加速度计的零偏;
为X向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计在第一位置处采集的第i个原始数据;
为X向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计在第二位置处采集的第i个原始数据。
进一步地,还包括锁定机构,所述控制器与所述锁定机构的控制端电连接,所述控制器用于通过所述锁定机构锁定或解锁所述转位机构。
作为一种优选方式,所述第一位置为捷联惯导系统的天向位置或者地向位置。
与现有技术相比,本发明利用捷联惯导系统内嵌的转位机构,通过在两个相差180°的位置进行静态采集,通过计算消除加速度计引入的重力加速度测量误差,从而获得高精度的重力加速度测量结果,测量过程简单。
具体实施方式
本发明适用的捷联惯导系统中设有X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6共三个加速度计,其中X向加速度计4设于加速度坐标系的X方向,Y向加速度计5设于加速度坐标系的Y方向,Z向加速度计6设于加速度坐标系的Z方向,加速度坐标系满足右手定则;X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6均设于转位机构3上。
如图1所示,本发明所述适用于捷联惯导系统的重力加速度测量方法包括以下步骤:
步骤1,转位机构3转动至第一位置,锁定转位机构3;
步骤2,在静态测量条件下测量30s,X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6各采样获得第一位置的30个原始数据,其中第一位置处的采样间隔时间为1s;所述第一位置为捷联惯导系统的天向位置或者地向位置;
步骤3,解锁转位机构3后,转位机构3绕水平轴转动180°至第二位置,锁定转位机构3;
步骤4,在静态测量条件下测量30s,X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6各采样获得第二位置的30个原始数据,其中第二位置处的采样间隔时间为1s;
步骤5,基于步骤2和步骤4中获得的原始数据进行计算,输出重力加速度值g。
本发明利用捷联惯导系统内嵌的转位机构3,通过在天向位置与地向位置两个相差180°的位置进行静态采集,通过计算消除加速度计引入的重力加速度测量误差,从而获得高精度的重力加速度测量结果。
步骤5中,通过下述公式计算重力加速度值g:
其中,Kzx为X向加速度计4相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kyx为X向加速度计4相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kzy为Y向加速度计5相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kxy为Y向加速度计5相对于加速度坐标系X轴的安装误差,Kyz为Z向加速度计6相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kxz为Z向加速度计6相对于加速度坐标系X轴的安装误差,K1x为X向加速度计4的标度因数,K1y为Y向加速度计5的标度因数,K1z为Z向加速度计6的标度因数,K0x为X向加速度计4的零偏,K0y为Y向加速度计5的零偏,K0z为Z向加速度计6的零偏;
为X向加速度计4在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计5在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计6在第一位置处采集的第i个原始数据;
为X向加速度计4在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计5在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计6在第二位置处采集的第i个原始数据。n
1为各向加速度计在第一位置处的采样点的总数,n
2为各向加速度计在第二位置处的采样点的总数,实施例中n
1和n
2都为30。Δt
1为第一位置处的采样间隔时间,Δt
2为第二位置处的采样间隔时间,实施例中Δt
1和Δt
2都为1s。
本发明先对加速度计的输出进行标定参数补偿,再求得第一位置和第二位置处的重力加速度值,最后通过对两个位置的计算结果取均值,得到最终的重力加速度值g,测量精度高,测量过程简单。
如图2所示,本发明还提供了一种适用于捷联惯导系统的重力加速度测量系统,所述捷联惯导系统中还设有控制器1、控制电路2;控制器1通过控制电路2与转位机构3相连,控制器1用于通过控制电路2控制转位机构3是否转动。重力加速度测量系统还包括锁定机构9,所述控制器1与所述锁定机构9的控制端电连接,所述控制器1用于通过所述锁定机构9锁定或解锁所述转位机构3。
本发明适用于捷联惯导系统的重力加速度测量系统还包括存储单元7和输出单元8,控制器1内设有计算单元101;其中:
X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6均用于在转位机构3处于第一位置时,在静态测量条件下,各采样获得第一位置的n1个原始数据并将第一位置对应的原始数据发送至控制器1,其中第一位置处的采样间隔时间为Δt1;X向加速度计4、Y向加速度计5、Z向加速度计6均用于在转位机构3处于第二位置时,在静态测量条件下,各采样获得第二位置的n2个原始数据并将第二位置对应的原始数据发送至控制器1,其中第二位置处的采样间隔时间为Δt2;转动机构以第一位置为起点绕水平轴转动180°后到达第二位置;优选地,所述第一位置为捷联惯导系统的天向位置或者地向位置。
存储单元7:用于存储控制器1发送的第一位置对应的原始数据和第二位置对应的原始数据;
计算单元101:用于基于第一位置对应的原始数据和第二位置对应的原始数据进行计算以获得重力加速度值g;
输出单元8:用于输出重力加速度值g。
所述计算单元101通过下式计算获得重力加速度值g:
其中,Kzx为X向加速度计4相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kyx为X向加速度计4相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kzy为Y向加速度计5相对于加速度坐标系Z轴的安装误差,Kxy为Y向加速度计5相对于加速度坐标系X轴的安装误差,Kyz为Z向加速度计6相对于加速度坐标系Y轴的安装误差,Kxz为Z向加速度计6相对于加速度坐标系X轴的安装误差,K1x为X向加速度计4的标度因数,K1y为Y向加速度计5的标度因数,K1z为Z向加速度计6的标度因数,K0x为X向加速度计4的零偏,K0y为Y向加速度计5的零偏,K0z为Z向加速度计6的零偏;
为X向加速度计4在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计5在第一位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计6在第一位置处采集的第i个原始数据;
为X向加速度计4在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Y向加速度计5在第二位置处采集的第i个原始数据,
为Z向加速度计6在第二位置处采集的第i个原始数据。
为验证本发明对重力加速度的测量效果,利用某型激光捷联惯组系统进行了试验验证,捷联惯组系统中加速度计的精度指标为:零位稳定性优于100ug(3σ,一年),标度因数稳定性优于100ppm(3σ,一年)。试验地点具有高精度重力基准值,共进行了6次测试,结果如下表1所示。
表1本发明测量结果
序号 |
实测值(m/s<sup>2</sup>) |
基准值(m/s<sup>2</sup>) |
误差(mgal) |
1 |
9.79165 |
9.791488 |
16.2 |
2 |
9.791372 |
9.791488 |
-11.6 |
3 |
9.791425 |
9.791488 |
-6.3 |
4 |
9.791341 |
9.791488 |
-14.7 |
5 |
9.791589 |
9.791488 |
10.1 |
6 |
9.791536 |
9.791488 |
4.8 |
目前,本发明已经经过了大量的试验验证,实现了高精度的重力加速度测量功能。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是局限性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。