CN115979237A - 寻北方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寻北方法、装置及系统。其中，该方法包括：分别获取所述MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。本发明解决了由于寻北仪对环境的振动干扰极为敏感而造成的抗震效果不佳的技术问题。

Description

寻北方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及导航领域，具体而言，涉及一种寻北方法、装置及系统。

背景技术

寻北仪是罗盘的一种，是用来寻找某一位置的真北方向值。陀螺寻北仪又称陀螺罗盘，是利用陀螺原理测定地球自转角速率在当地水平面投影方向(即真北方位)的一种惯性测量系统。它的寻北过程无需外部参考。除受高纬度限制之外，寻北测量不受天气、昼夜时间、地磁场和场地通视条件的影响。但是，寻北仪对环境的振动干扰特别是对低频振动干扰极为敏感。

但是，现有的寻北仪抗震效果不佳、环境适应性较差、体积较大、且成本较高。针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种寻北方法、装置及系统，以至少解决由于寻北仪对环境的振动干扰极为敏感而造成的抗震效果不佳的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种寻北方法，包括：分别获取所述MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电机导航系统)陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种寻北装置，包括：采集模块，用于分别获取所述MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；寻北模块，用于对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种寻北系统，包括：如上所述的MEMS陀螺寻北仪；四位置惯导安装座，用于安装所述MEMS陀螺寻北仪。

在本发明实施例中，分别获取所述MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北，进而解决了由于寻北仪对环境的振动干扰极为敏感而造成的抗震效果不佳的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种寻北方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的另一种寻北方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的4位置陀螺寻北示意图；

图4是根据本发明实施例的地球自转在陀螺敏感轴上的投影图；

图5是根据本发明实施例的又一种寻北方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的地理坐标系和载体坐标系的示意图；

图7是根据本发明实施例的一种寻北装置的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的一种寻北系统的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的一种四位置惯导安装座的结构示意图；图10是根据本发明实施例的顶部盖板的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种寻北方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S102，分别获取所述MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；

步骤S104，对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

首先，针对所述四个转角位置的每一个转角位置，确定所述MEMS陀螺寻北仪的陀螺在所述每一个转角位置进行测量时输出的相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系。获取地球的自转角速度、以及测量点的纬度。

例如，基于所述自转角速度、所述测量点的纬度、所述相应零点偏移、以及所述相应角速度，确定所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系。

再例如，获取地球的自转角速度、测量点的纬度值、所述四位置惯导安装座的倾斜角和俯仰角、以及所述相应零点偏移；基于所述自转角速度、所述测量点的纬度、所述倾斜角和所述俯仰角、以及所述相应零点偏移，确定所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系。

接着，将所述每一个转角位置处的所述相应零点偏移设定为相同的常量，并对所确定的四个转角位置处的所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角。

首先，获取所述MEMS陀螺寻北仪的加速度计在所述四个转角位置处的加速度。例如，获取所述加速度计的偏置和所述加速度计的噪声；基于所述加速度计的偏置和所述加速度计的噪声，分别计算所述加速度计在所述四个转角位置处的加速度。

接着，基于所述四个转角位置处的加速度，计算所述MEMS陀螺寻北仪的所述倾斜角和所述俯仰角。之后，基于所述相应角速度、所述测量点的纬度值、所述倾斜角和所述俯仰角，确定调节系数A；基于所述调节系数A、所述倾斜角和所述俯仰角，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角。

本实施例提供的寻北方法，利用MEMS陀螺寻北仪能够自主指示方位、且精度很高，它能够在不输入纬度值的情况下，给出载体与真北方向的夹角。本实施例，利用MEMS陀螺仪测得的地球自转角速率值及加速度计测得的陀螺仪与水平面夹角，经过计算机解算可以得到载体的基线与真北方向的夹角。

实施例2

根据本发明实施例，还提供了另一种寻北方法。如图2所示，该方法包括：

步骤S202，测量四个转角位置处的角速度。

MEMS陀螺寻北仪使用一个四位置惯导安装座，将陀螺分四次置于基座上。

开始寻北时，如图3所示，陀螺处于位置1，陀螺敏感轴与载体平行。假设陀螺敏感轴的初始方向与真北方向的夹角。陀螺在位置1的输出值为ω1；然后转动基座90°，在2位置测得陀螺的输出值为ω2。依次再转动两次90°，分别转到3和4的位置，得到角速度ω3和ω4。

步骤S204，确定角速度和北向的夹角之间的关系。

假设测量点的纬度为

地球自转为ωe。地球自转在陀螺敏感轴上的投影如图4所示，1位置测得的角速度为：

ω₁＝ω_ecosφcosα+ε(t₁) (1)

其中，ε(t1)为陀螺输出的零点漂移。同理可得：

ω₂＝ω_ecosφcos(α+90°)+ε(t₂)＝-ω_ecosφsinα+ε(t₂) (2)

ω₃＝ω_ecosφcos(α+180°)+ε(t₃)＝-ω_ecosφcosα+ε(t₃) (3)

ω₄＝ω_ecosφcos(α+270°)+ε(t₄)＝ω_ecosφsinα+ε(t₄) (4)

其中，t₁、t₂、t₃、t₄分别表示不同的测量时间。

步骤S206，基于所确定的关系，计算初始方向与真北方向的夹角α。

在短时间内，假设MEMS陀螺的漂移为一常量，即：

ε(t1)＝ε(t2)＝ε(t3)＝ε(t4)，则

则

假设MEMS陀螺的漂移不为一常量，则

则，

本实施例中，针对陀螺的漂移，区分了其为常量和非常量两种情况，并给出了具体的计算公式，从而，使得航向角a的计算更为准备，进而使得寻北装置所指向的北向更为精准。

本实施例中的寻北方法，通过测量地球自转角速度，四位置处的零点漂移等，自主确定所附载体的真北方向值，该方法可以消除陀螺的零偏，也不需要预先知道测量地点的纬度值，从而使得寻北简单准确。如果测量地点的纬度为已知值，那么可以只需测量1和3(或者2和4)两个位置便可以求出航向角α，从而节省计算资源。

实施例3

根据本发明实施例，还提供了又一种寻北方法。本实施例中的寻北方法，通过测量地球自转角速度，载体的倾斜角和俯仰角等，自主确定所附载体的真北方向值，不受外界磁场或其他环境的干扰和影响，并且，本实施例结合加速度进行水平角度的测量和修正，从而提高了寻北的准确性。

如图5所示，该方法包括：

步骤S502，建立坐标系，并得到转换矩阵。

设载体的姿态角为α，β，γ，分别表示航向角(陀螺敏感轴的初始方向与真北方向的夹角)、倾斜角和俯仰角。建立如下坐标系：

1)地理坐标系OXnYnZn，其方向分别为东、北、天

2)OX1Y1Z1坐标系，是坐标系OXnYnZn绕Zn轴旋逆时针转α角得到。

3)OX2Y2Z2坐标系，是坐标系OX1Y1Z1绕X1轴旋逆时针转β角得到。

4)载体坐标系OXbYbZb，是坐标系OX2Y2Z2绕Y2轴旋逆时针转γ角得到。OXb，OYb，OZb分别为载体首尾线水平面及水平面法线方向，其中，载体纵轴与OXb轴重合，陀螺坐标系与之重合，即陀螺敏感轴与OXb轴重合，如图6中右图所示。

可以得出地理坐标系OXnYnZn到陀螺坐标系OXbYbZb的转换矩阵为：

步骤S504，计算角速度。

在地理坐标系OX_nY_nZ_n中地球自传角速率的分量为

经过OX_nY_nZ_n到OX_bY_bZ_b中地球自传角速度的分量为：

步骤S506，得到陀螺仪的输出。

ω_x即为陀螺仪敏感轴方向，可以得到陀螺仪的输出为：

ω＝ω_ecosφ(sinαcosγ+cosαsinβsinγ)-ω_esinφcosβsinγ+ε(t) (9)

当β和γ为0，即转台完全水平时，公式(9)与公式(1)一致。依次旋转90°后，可以测得陀螺仪在1，2，3，4位置的输出为：

ω₁＝ω_ecosφ(sinαcosγ+cosαsinβsinγ)-ω_esinφcosβsinγ+ε(t₁)(10)

ω₂＝ω_ecosφ(cosαcosβ+sinαsinβsinγ)-ω_esinφcosγsinβ+ε(t₂)(11)

ω₃＝-ω_ecosφ(sinαcosγ+cosαsinβsinγ)+ω_esinφcosβsinγ+ε(t₃)(12)

ω₄＝-ω_ecosφ(sinαcosβ+sinαsinβsinγ)+ω_esinφcosγsinβ+ε(t₄)(13)

步骤S508，计算航向角。

在测量时间内假设ε(t₁)＝ε(t₂)＝ε(t₃)＝ε(t₄)；可以求得：

其中调节系数

在另外一个示例中，还可以通过以下公式计算调节系数A：

其中，b为权重因子，取值范围在0至1之间。本实施例中，通过基于权重因子计算出的调节系数来调节航向角，从而考虑不同的情况采用不同的权重，进而使得所计算出的航向角更为准确。

在实际测量中，可以通过一个加速度传感器来测得平台的倾斜角β和γ。加速度计的敏感轴与OY_b平行。在地理坐标系OX_nY_nZ_n中地球重力加速度为(0，0，-g)，则在载体坐标系OX_bY_bZ_b中各轴的重力分量为：

因此加速度计在四个位置的输出为：

g_y1＝g₀+gsinβ+ε_gy1 (17)

g_y2＝g₀+gsinγ+ε_gy2 (18)

g_y3＝g₀-gsinβ+ε_gy3 (19)

g_y4＝g₀+gsinγ+ε_gy4 (20)

其中，g为重力加速度，gO为加速度传感器偏置，εg为加速度传感器噪声。假设测量过程中加速度传感器的零偏和噪声不变，可以求解得

可以把(21)带入(14)式中求得航向角α。

本实施例中的寻北方法，结合加速度进行水平角度的测量和修正，从而提高了寻北的准确性。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

实施例4

根据本发明实施例，还提供了一种寻北装置，如图7所示，包括采集模块72和寻北模块74。

采集模块72，用于分别获取所述MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；

寻北模块74，用于对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例1至3中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

本申请具有以下有益效果：MEMS寻北仪较之光纤寻北仪成本更低；抗震效果好，环境适应性强，体积小。

实施例5

根据本发明实施例，还提供了一种MEMS陀螺寻北仪，如图8所示，包括实施例4中的寻北装置。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例1至3中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

实施例6

根据本发明实施例，还提供了一种寻北系统，如图8所示，包括MEMS陀螺寻北仪82、四位置惯导安装座84以及顶部盖板86。

MEMS陀螺寻北仪82可以参考上述实施例1至3中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。四位置惯导安装座84如图9所示，顶部盖板86如图10所示。

实施例7

本发明的实施例还提供了一种存储介质。可选地，在本实施例中，上述存储介质被设置为存储用于执行实施例1至3中的程序代码。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种寻北方法，其特征在于，包括：

分别获取MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；

对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

2.根据权利要求1所述的寻北方法，其特征在于，对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，包括：

针对所述四个转角位置的每一个转角位置，确定所述MEMS陀螺寻北仪的陀螺在所述每一个转角位置进行测量时输出的相应零点偏移和相应角速度之间的关系；

将所述每一个转角位置处的所述相应零点偏移设定为相同的常量，并对所确定的四个转角位置处的所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角。

3.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，确定所述MEMS陀螺寻北仪的陀螺在所述每一个转角位置进行测量时输出的相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系，包括：

获取地球的自转角速度、以及测量点的纬度；

基于所述自转角速度、所述测量点的纬度、所述相应零点偏移、以及所述相应角速度，确定所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系。

4.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，确定所述MEMS陀螺寻北仪的陀螺在所述每一个转角位置进行测量时输出的相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系，包括：

获取地球的自转角速度、测量点的纬度值、所述四位置惯导安装座的倾斜角和俯仰角、以及所述相应零点偏移；

基于所述自转角速度、所述测量点的纬度、所述倾斜角和所述俯仰角、以及所述相应零点偏移，确定所述相应零点偏移和所述相应角速度之间的关系。

5.根据权利要求4所述的寻北方法，其特征在于，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，包括：

基于所述相应角速度、所述测量点的纬度值、所述倾斜角和所述俯仰角，确定调节系数A；

基于所述调节系数A、所述倾斜角和所述俯仰角，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，获取所述四位置惯导安装座的倾斜角和俯仰角，包括：

获取所述MEMS陀螺寻北仪的加速度计在所述四个转角位置处的加速度；

基于所述四个转角位置处的加速度，计算所述MEMS陀螺寻北仪的所述倾斜角和所述俯仰角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获取所述MEMS陀螺寻北仪的加速度计在所述四个转角位置处的加速度，包括：

获取所述加速度计的偏置和所述加速度计的噪声；

基于所述加速度计的偏置和所述加速度计的噪声，分别计算所述加速度计在所述四个转角位置处的加速度。

8.一种寻北装置，其特征在于，包括

采集模块，用于分别获取MEMS陀螺寻北仪安装在四位置惯导安装座的四个转角位置处的惯导数据；

寻北模块，用于对四个转角位置处的所述惯导数据进行融合，确定所述惯导安装座相对于北向的夹角，以进行寻北。

9.一种寻北系统，其特征在于，包括：

如权利要求8所述的MEMS陀螺寻北仪；

四位置惯导安装座，用于安装所述MEMS陀螺寻北仪。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，在所述程序运行时，使得计算机执行如权利要求1至7中任一项方法。

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