CN116222529A - 基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统及存储介质 - Google Patents

基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN116222529A
CN116222529A CN202310140462.2A CN202310140462A CN116222529A CN 116222529 A CN116222529 A CN 116222529A CN 202310140462 A CN202310140462 A CN 202310140462A CN 116222529 A CN116222529 A CN 116222529A
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north
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方书玮
毛善君
李鑫超
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Beijing Longruan Technologies Inc
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Peking University
Beijing Longruan Technologies Inc
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Abstract

本发明提供一种光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统以及存储介质，涉及陀螺仪技术领域，该寻北方法的硬件部分包括光电编码器、转台、光纤陀螺、中央控制电脑以及支架。中央控制电脑设置转台转速，收集转台、光电编码器和光纤陀螺的数据。算法部分，获取匀速旋转中的整周期光纤陀螺数据，通过差分得到角加速度数据，最后利用正交双通道互相关法解算出寻北值。本发明针对传统基于角速度的光纤陀螺寻北方法存在的寻北测量花费时间长、寻北精度提高难等问题，可以实现连续测量缩短时间、提高寻北精度。

Description

基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及陀螺仪技术领域，特别是基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的测量物体惯性运动角速度的传感器。作为新型陀螺技术的光纤陀螺是无转子的全固态结构，具有稳定、可靠、精度高、寿命长、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于导航等领域。寻北定向是光纤陀螺的重要应用之一。现有基于光纤陀螺的寻北技术原理都是测量地球自转角速度水平分量在待求方位的投影。根据单个位置的数据求得的方位角会受陀螺的零偏、随机漂移、标度因数等影响，从而产生较大的寻北误差。为了在相同陀螺精度的条件下获得更高的寻北精度，一般会使旋转陀螺到达不同的位置进行数据采集来抵消陀螺零偏，以提高寻北精度。
常用寻北策略为：陀螺跟随转轴旋转定位到四个以上的采样位置，静止后采集数据，所有数据采集完成后再进行寻北解算。此种寻北方法存在一些局限性：首先，测量阶段需将陀螺转到多个固定位置，每个位置进行静止测量，随着测量位置的增加，寻北总时长会相应增加；其次，利用光纤陀螺测量角速度的寻北方法调节精度方法有限。为提高精度，往往只能通过提高陀螺精度或拉长寻北时间进行有限程度的调节。前者提高成本，后者增加耗时，特别是寻北时间过长，在智能化矿山或工厂设备精确定位应用领域，将大大降低系统的实用性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法、系统以及一种计算机可读存储介质。
本发明实施例提供了一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，所述光纤陀螺固定安装于转台上并随所述转台转动，所述寻北方法包括：
控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；
根据所述角速度数据，利用差分方法得到所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
根据所述复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值。
可选地，动支架与所述转台固定连接并随所述转台转动，光电编码器的动轴与所述动支架固定连接；
控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，包括：
待测方向表示为寻北值
Figure BDA0004087307890000021
以其为所述光纤陀螺的初始位置，启动所述转台使其以设定速度Ω带动所述光纤陀螺旋转；
获取所述转台的转速，并在所述转台与所述设定速度Ω平稳旋转后，获取所述光电编码器的实时输出数据和所述光纤陀螺感测的实时地球自转角速度数据；
预设时段后，停止所述转台的旋转，根据所述预设时段内所述转台的均匀转速和所述光电编码器的输出数据，截取n个整周期的所述光纤陀螺的周期角速度数据，一个整周期指所述光纤陀螺随转台从所述初始位置旋转360度回到所述初始位置的周期；
获取的所述角速度数据中，t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的模型表达式是综合了所述寻北值
Figure BDA0004087307890000022
和所述设定速度Ω形成的夹角公式、t时刻地球自转角速度在所述光纤陀螺敏感轴上的投影公式，以及n个整周期的所述光纤陀螺感测到的周期角速度数据得到的。可选地，当所述转台带动所述光纤陀螺以所述设定速度Ω为角速度旋转时，t时刻所述光纤陀螺的敏感轴和真北方向的夹角
Figure BDA0004087307890000023
表示如下：
Figure BDA0004087307890000024
上述
Figure BDA0004087307890000025
的等式即为所述夹角公式。
可选地，t时刻所述光纤陀螺感测到的地球自转角速度对应的公式为：
Figure BDA0004087307890000031
上述公式中，ω1(t)表示t时刻所述光纤陀螺感测到的地球自转角速度，ωe＝15.0411°/h，表示地球自转角加速度，L表示地理纬度，
可选地，对n个整周期的所述光纤陀螺的周期角速度数据，结合所述夹角公式和所述地球自转角速度投影公式综合得到t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的表达式表示如下：
Figure BDA0004087307890000032
上述公式中，ω2(t)表示t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度。T表示所述转台的旋转周期，即所述光纤陀螺随转台旋转的一个整周期。
可选地，根据t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，包括：
对所述t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，以差分公式的形式进行数值差分，得到t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
其中，所述差分公式如下：
a1(t)＝ω(t+1)-ω(t),t＝1…nT-1
上述公式中，a1(t)表示t时刻角加速度数据，ω(t)表示t时刻角速度数据。
基于上述差分公式，结合所述ω2(t)表达式，得到t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据表达式如下：
Figure BDA0004087307890000033
上述公式中，a2(t)表示t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据。
可选地，根据所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值，包括：
根据所述a2(t)表达式，利用所述正交双通道互相关法的参考信号，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值
Figure BDA0004087307890000034
其中，基于所述a2(t)表达式可知，t时刻所述光纤陀螺的相位为
Figure BDA0004087307890000035
寻北值
Figure BDA0004087307890000036
为正弦信号初相位。使所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据a2(t)为待测信号，利用两个相互正交的、与待测信号频率相同的正、余弦信号,解算出待测信号的初相位，即所述寻北值
Figure BDA0004087307890000037
设参考信号ys(t)和yc(t)分别为：
ys(t)＝sin(Ωt)
yc(t)＝cos(Ωt)
用参考信号ys(t)和yc(t)分别对所述待测信号进行互相关，得到互相关值
Figure BDA0004087307890000041
和
Figure BDA0004087307890000042
Figure BDA0004087307890000043
Figure BDA0004087307890000044
对所述互相关值
Figure BDA0004087307890000045
和
Figure BDA0004087307890000046
进行离散化表达表示如下：
Figure BDA0004087307890000047
Figure BDA00040873078900000412
则基于所述互相关值
Figure BDA0004087307890000048
和
Figure BDA0004087307890000049
求得所述寻北值
Figure BDA00040873078900000410
为
Figure BDA00040873078900000411
可选地，所述光纤陀螺的敏感轴与水平面平行并指向待测方向；
所述光电编码器与定支架固定连接，所述定支架与地面相对静止；
中央控制电脑分别与所述光电编码器、所述光纤陀螺以及所述转台进行数据连接，用于向所述转台发送控制指令，同时获取所述光电编码器、所述光纤陀螺以及所述转台各自采集的数据。
本发明实施例提供了一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北系统，所述寻北系统包括：中央控制电脑、定支架、动支架、光电编码器、转台以及光纤陀螺；
所述定支架与地面相对静止，所述光电编码器与所述定支架固定连接保持静止；
所述光电编码器的动轴与所述动支架固定连接；
所述动支架与所述转台固定连接并随所述转台转动；
所述光纤陀螺固定安装于所述转台上并随所述转台转动；
所述中央控制电脑用于控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；
所述中央控制电脑用于根据所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
所述中央控制电脑用于根据所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其存储的计算机程序使得处理器执行如上任一项所述的基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法。
本发明提供的基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，光纤陀螺固定安装于转台上并随转台转动，首先控制转台均速转动，并获取匀速旋转下光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；根据所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到光纤陀螺复合运动的角加速度数据；最后根据光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出光纤陀螺测量的寻北值。
本发明的寻北方法，区别于目前常规的寻北方法，无需在测量阶段将陀螺转到多个固定位置，每个位置进行静止测量，而是利用转台带动光纤陀螺在以待测方向为起点进行自旋转，连续测量，从而降低了寻北总时长。此外，利用高转速状态下获取到角加速度进行计算，可以通过提高转台转速进而提高信噪比得到精准的寻北值。本发明针对传统基于角速度的光纤陀螺寻北方法存在的寻北时间长、提高精度难等问题，可以通过连续测量实现缩短时间。此外，可以通过提高转速提高信噪比的方式提高寻北精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例中光纤陀螺感测地球自转角速度原理图；
图2是本发明实施例中转台和光纤陀螺安装图；
图3是本发明实施例中光纤陀螺感测地球自转角速度原理图；
图4是本发明实施例中一种较优的结构示意图；
图5是本发明实施例一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法的流程图；
图6是本发明实施例中基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法的概述性流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
为了更清楚的解释和说明本发明所提基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，首先简单解释一下光纤陀螺感测地球自转角速度的原理。参照图1所示的光纤陀螺感测地球自转角速度原理图，设地球自转方向角速度为ωe，则在纬度为L的某地可以分解为自转角速度水平分量ωeh和自转角速度垂直分量ωev。
水平分量ωeh与当地水平面平行，方向沿本初子午线指向正北，按照投影原理计算得大小为ωeh＝ωecosL。垂直分量ωev与当地水平面垂直，方向沿铅垂线向上指天，按照投影原理计算得大小为ωeh＝ωesinL。参照图2所示的转台和光纤陀螺安装图，光纤陀螺安装在水平调节好的转台(即图2中水平转台)上，其敏感轴(水平方向虚线)平行于水平面指向待测方向。此时光纤陀螺感测地球自转角速度原理如图3所示，设待测方向(即图3中陀螺仪初始轴方向)和真北方向Yn的夹角即方位角为
Figure BDA0004087307890000061
(即寻北值
Figure BDA0004087307890000062
)。此时光纤陀螺感测到的地球自转角速度可以用下式表达为：
Figure BDA0004087307890000063
为了更清楚的解释和说明本发明所提基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，以一种较优的结构示意图说明本发明的硬件结构，本发明一种较优的结构示意图参照图4所示。整个结构分成四个部分：
第一部分包括：光电编码器3、定支架1以及动支架2，定支架1为与地面相对静止的固定架，动支架2为固定在转台5上随转台5运动的支架，光电编码器3的动轴与动支架2固定连接，这样才可以使得光电编码器3测量到光纤陀螺的旋转角度。
第二部分包括：光纤陀螺4，其与转台5固联，光纤陀螺4中央粗虚线表示光纤陀螺4的敏感轴，敏感轴与水平面平行，指向待测方向。
第三部分包括：转台5，其与水平面平行，因此也可描述为水平转台5，以下全文出现的转台或者水平转台的描述均指转台5。
第四部分包括：中央控制电脑6，中央控制电脑6分别与光电编码器3、光纤陀螺4、水平转台5进行数据连接，向上述设备发送控制指令、开始指令和结束指令，并同步接收上述设备的数据。
需要说明的是，上述图4仅是为了更好的理解本发明所提基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，以一种较优的结构示意图示出的各个设备的位置、安装等方式，并不代表实现基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法的仅能为该中结构，一切可以实现相似功能的设备及其结构方式均可等同替换。
在光纤陀螺开始寻北时，参照图5，示出了本发明实施例的一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法的流程图，该寻北方法包括：
步骤501：控制转台均速转动，并获取匀速旋转下光纤陀螺感测的地球自转角速度数据。
本发明所提寻北方法区别于目前传统的方法，无需在测量阶段将陀螺转到多个固定位置，每个位置进行静止测量，而是直接利用转台带动光纤陀螺以待测方向为起点进行自旋转。因此首先控制转台均速转动，并获取匀速旋转下光纤陀螺感测的地球自转角速度数据。控制转台匀速转动可以由中央控制电脑向转台发送控制指令，以使得转台以设定的转速进行匀速旋转。
转台匀速旋转时，由于光纤陀螺与转台是固定连接，因此转台均速旋转时带动光纤陀螺也均速旋转，光纤陀螺匀速旋转时可以获取匀速旋转下光纤陀螺感测的地球自转角速度数据。
在一种可能的实施例中，光纤陀螺的数据还需要配合光电编码器的数据。因此设置动支架与转台固定连接并随转台转动，而光电编码器的动轴与动支架固定连接。这样光电编码器才可以实时得到转台或者光纤陀螺旋转的角度以及圈数。在开始工作时，首先使转台调平、光电编码器初始化，使光纤陀螺敏感轴指向待测方向。随后，中央控制电脑设置转台转速，并向转台、光电编码器和光纤陀螺同步发出开始指令。转台旋转，转台、光电编码器和光纤陀螺同步感测数据。中央控制电脑接收转台输出的转速数据，光电编码器输出数据以及光纤陀螺输出的地球自转角速度数据。
待测方向表示为寻北值
Figure BDA0004087307890000081
以其为光纤陀螺的初始位置，启动转台使其以设定速度Ω带动光纤陀螺旋转；获取转台的转速，并在转台与设定速度Ω平稳旋转后，获取光电编码器的实时输出数据和光纤陀螺感测的地球自转实时角速度数据。设定速度Ω平稳旋转后获取的数据才稳定，否则会影响后续运算。
预设时段后，停止转台的旋转，根据预设时段内转台的均匀转速和光电编码器的输出数据，截取n个整周期的光纤陀螺的周期角速度数据，一个整周期指光纤陀螺从初始位置旋转360度回到初始位置的周期。即光纤陀螺均速稳定旋转后，由光电编码器确定旋转的角度以及每旋转360度回到初始位置后的旋转圈数，旋转一圈就为一个整周期，以此作为基准截取n个整周期的光纤陀螺的周期角速度数据。
前述获取的匀速旋转下光纤陀螺的角速度数据中任意时刻，例如t时刻，光纤陀螺感测的地球自转角速度数据均可用对应的表达式来表达。而t时刻，所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的模型表达式是综合了所述寻北值
Figure BDA0004087307890000082
和所述设定速度Ω形成的夹角公式、t时刻地球自转角速度在所述光纤陀螺敏感轴上的投影公式，以及n个整周期的所述光纤陀螺感测到的周期角速度数据得到的。
这其中，当转台带动光纤陀螺以设定速度Ω为角速度旋转时，t时刻光纤陀螺的敏感轴和真北方向的夹角
Figure BDA0004087307890000091
表示如下：
Figure BDA0004087307890000092
上面
Figure BDA0004087307890000093
的等式即为前述夹角公式。
而t时刻光纤陀螺感测到的地球自转角速度在所述光纤陀螺敏感轴上的投影公式为：
Figure BDA0004087307890000094
上述公式中，ω1(t)表示t时刻光纤陀螺感测到的地球自转角速度，ωe＝15.0411°/h，表示地球自转角速度，L表示地理纬度，知晓t时刻光纤陀螺感测到的地球自转角速度对应的公式ω1(t)后，对n个周期为T的整周期的光纤陀螺的周期角速度数据而言，结合前述夹角公式、ω1(t)的表达式综合即可得到t时刻光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的表达式表示如下：
Figure BDA0004087307890000095
上述公式中，ω2(t)表示t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度。T表示所述转台的旋转周期，即所述光纤陀螺随转台旋转的一个整周期。
步骤502：根据光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到光纤陀螺复合运动的角加速度数据。
得到光纤陀螺感测的地球自转角速度数据ω2(t)后，开始进行运算，利用差分方法得到光纤陀螺复合运动的角加速度数据。在一种可能的实施例中，可以包括：
对t时刻光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，以差分公式的形式进行数值差分，得到t时刻光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
其中，差分公式如下：
a1(t)＝ω(t+1)-ω(t),t＝1…nT-1
上述公式中，a1(t)表示t时刻角加速度数据，ω(t)表示t时刻角速度数据。
基于上述差分公式，结合ω2(t)表达式，得到t时刻光纤陀螺复合运动的角加速度数据表达式如下：
Figure BDA0004087307890000096
上述a2(t)表示t时刻光纤陀螺复合运动的角加速度数据，通过该式可知，可以通过调节转台转速Ω的方式，提高信号振幅值(即-Ωωe的值)，进而提高信噪比。
步骤503：根据光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出光纤陀螺测量的寻北值。
得到t时刻光纤陀螺复合运动的角加速度数据表达式a2(t)后，根据光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出光纤陀螺测量的寻北值。
在一种可能的实施例中，基于a2(t)表达式可知，t时刻光纤陀螺的相位为
Figure BDA0004087307890000101
寻北值
Figure BDA0004087307890000102
为正弦信号初相位。根据相关函数的定义，相关系数可以衡量两个信号相关性大小，因此，可以使用互相关法进行时延估计。使所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据a2(t)为待测信号，利用两个相互正交的、与待测信号频率相同的正、余弦信号,解算出待测信号的初相位，即寻北值
Figure BDA00040873078900001010
设参考信号ys(t)和yc(t)分别为：
ys(t)＝sin(Ωt)
yc(t)＝cos(Ωt)
用参考信号ys(t)和yc(t)分别对待测信号进行互相关，得到互相关值
Figure BDA0004087307890000103
和
Figure BDA0004087307890000104
Figure BDA0004087307890000105
Figure BDA0004087307890000106
对所述互相关值
Figure BDA0004087307890000107
和
Figure BDA0004087307890000108
进行离散化表达表示如下：
Figure BDA0004087307890000109
Figure BDA0004087307890000111
则基于所述互相关值
Figure BDA0004087307890000112
和
Figure BDA0004087307890000113
的表达式求得所述寻北值
Figure BDA0004087307890000114
为：
Figure BDA0004087307890000115
综上所述可知，本发明所提基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，无需在测量阶段将陀螺转到多个固定位置，每个位置进行静止测量，而是利用转台带动光纤陀螺以待测方向为起点进行自旋转，连续测量，从而降低了寻北总时长。此外，利用高转速状态下获取到的角加速度进行计算，可以提高信噪比得到精准的寻北值。本发明针对传统基于角速度的光纤陀螺寻北方法存在的寻北时间长、提高精度难等问题，可以通过连续测量实现缩短时间。此外，可以通过提高转速提高信噪比的方式提高寻北精度。
本发明实施例中，基于上述基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，还提出基于光纤陀螺测量角加速度的寻北系统，所述寻北系统包括：中央控制电脑、定支架、动支架、光电编码器、转台以及光纤陀螺；所述定支架与地面相对静止，所述光电编码器与所述定支架固定连接保持静止；所述光电编码器的动轴与所述动支架固定连接；所述动支架与所述转台固定连接并随所述转台转动；所述光纤陀螺固定安装于所述转台上并随所述转台转动。
所述中央控制电脑用于控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；所述中央控制电脑用于根据所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；所述中央控制电脑用于根据所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值。上述过程用图6所示的概述性流程图概括为：转台调平、光电编码器初始化，光纤陀螺敏感轴指向待测方向。
转台旋转，转台、光电编码器和光纤陀螺同步记录数据，之后获得均速整周期地球自转角速度数据(光纤陀螺的均速整周期角速度数据)，通过差分得到角加速度数据，最后利用正交双通道相关法建立方位角解算方程，最后获得待测方向的方位角数据，即得到寻北值。
基于上述基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储的计算机程序使得处理器执行如步骤501～步骤503任一项所述的基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法。
综上所述，本发明的基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，光纤陀螺固定安装于转台上并随转台转动，首先控制转台均速转动，并获取匀速旋转下光纤陀螺感测的地球自转角速度；根据光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到光纤陀螺复合运动的角加速度数据；最后根据光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出光纤陀螺测量的寻北值。
本发明的寻北方法，区别于目前常规的寻北方法，无需在测量阶段将陀螺转到多个固定位置，每个位置进行静止测量，而是利用转台带动光纤陀螺在以待测方向为起点进行自旋转，连续测量，从而降低了寻北总时长。此外，利用高转速状态下获取到的角加速度进行计算，可以提高信噪比得到精准的寻北值，。本发明针对传统基于角速度的光纤陀螺寻北方法存在的寻北时间长、提高精度难、使用范围受限等问题，可以通过连续测量实现缩短时间。此外，可以通过提高转速提高信噪比的方式提高寻北精度。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
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，而不是限制性的，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之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法，其特征在于，所述光纤陀螺固定安装于转台上并随所述转台转动，所述寻北方法包括：
控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；
根据所述光纤陀螺感测的地球自转角速度，利用差分方法得到所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
根据所述复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值。
2.根据权利要求1所述的寻北方法，其特征在于，动支架与所述转台固定连接并随所述转台转动，光电编码器的动轴与所述动支架固定连接；
控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，包括：
待测方向表示为寻北值
Figure FDA0004087307880000011
以其为所述光纤陀螺的初始位置，启动所述转台使其以设定速度Ω带动所述光纤陀螺旋转；
获取所述转台的转速，并在所述转台与所述设定速度Ω平稳旋转后，获取所述光电编码器的实时输出数据和所述光纤陀螺感测的地球自转角速度实时数据；
预设时段后，停止所述转台的旋转，根据所述预设时段内所述转台的均匀转速和所述光电编码器的输出数据，截取n个整周期的所述光纤陀螺的周期角速度数据，一个整周期指所述光纤陀螺从所述初始位置旋转360度回到所述初始位置的周期；
获取的所述角速度数据中，t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的模型表达式是综合了所述寻北值
Figure FDA0004087307880000012
和所述设定速度Ω形成的夹角公式、t时刻地球自转角速度在所述光纤陀螺敏感轴上的投影公式，以及n个整周期的所述光纤陀螺感测到的周期角速度数据得到的。
3.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，当所述转台带动所述光纤陀螺以所述设定速度Ω为角速度旋转时，t时刻所述光纤陀螺的敏感轴和真北方向的夹角
Figure FDA0004087307880000013
表示如下：
Figure FDA0004087307880000021
上述
Figure FDA0004087307880000022
的等式即为所述夹角公式。
4.根据权利要求3所述的寻北方法，其特征在于，t时刻地球自转角速度在所述光纤陀螺敏感轴上的投影公式为：
Figure FDA0004087307880000023
上述公式中，ω1(t)表示t时刻所述光纤陀螺感测到的地球自转角速度，ωe＝15.0411°/h，表示地球自转角加速度，L表示地理纬度。
5.根据权利要求4所述的寻北方法，其特征在于，对n个整周期的所述光纤陀螺的周期角速度数据，结合所述夹角公式和所述地球自转角速度投影公式综合得到t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据对应的表达式表示如下：
Figure FDA0004087307880000024
上述公式中，ω2(t)表示t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度。T表示所述转台的旋转周期，即所述光纤陀螺的一个整周期。
6.根据权利要求5所述的寻北方法，其特征在于，根据t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，利用差分方法得到处理后所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，包括：
对所述t时刻所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据，以差分公式的形式进行数值差分，得到t时刻处理后所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
其中，所述差分公式如下：
a1(t)＝(t+1)-(t),＝1,2,…nT-1
上述公式中，a1(t)表示t时刻角加速度数据，ω(t)表示t时刻角速度数据。
基于上述差分公式，结合所述ω2(t)表达式，得到t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据表达式如下：
Figure FDA0004087307880000025
上述公式中，a2(t)表示t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据。
7.根据权利要求6所述的寻北方法，其特征在于，根据t时刻所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值，包括：
根据所述a2(t)表达式，利用所述正交双通道互相关法的参考信号，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值
Figure FDA0004087307880000031
其中，基于所述a2(t)表达式可知，t时刻所述光纤陀螺的相位为
Figure FDA0004087307880000032
寻北值
Figure FDA00040873078800000316
为正弦信号初相位。使所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据a2(t)为待测信号，利用两个相互正交的、与待测信号频率相同的正、余弦信号,解算出待测信号的初相位，即所述寻北值
Figure FDA0004087307880000033
设参考信号ys(t)和yc(t)分别为：
ys(t)＝sin(Ωt)
yc(t)＝cos(Ωt)
用参考信号ys(t)和yc(t)分别对所述待测信号进行互相关，得到互相关值
Figure FDA0004087307880000034
和
Figure FDA0004087307880000035
Figure FDA0004087307880000036
Figure FDA0004087307880000037
对所述互相关值
Figure FDA0004087307880000038
和
Figure FDA0004087307880000039
进行离散化表达表示如下：
Figure FDA00040873078800000310
Figure FDA00040873078800000311
则基于所述互相关值
Figure FDA00040873078800000312
和
Figure FDA00040873078800000313
求得所述寻北值
Figure FDA00040873078800000314
为：
Figure FDA00040873078800000315
8.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，所述光纤陀螺的敏感轴与水平面平行并指向待测方向；
所述光电编码器与定支架固定连接，所述定支架与地面相对静止；
中央控制电脑分别与所述光电编码器、所述光纤陀螺以及所述转台进行数据连接，用于向所述转台发送控制指令，同时获取所述光电编码器、所述光纤陀螺以及所述转台各自采集的数据。
9.一种基于光纤陀螺测量角加速度的寻北系统，其特征在于，所述寻北系统包括：中央控制电脑、定支架、动支架、光电编码器、转台以及光纤陀螺；
所述定支架与地面相对静止，所述光电编码器与所述定支架固定连接保持静止；
所述光电编码器的动轴与所述动支架固定连接；
所述动支架与所述转台固定连接并随所述转台转动；
所述光纤陀螺固定安装于所述转台上并随所述转台转动；
所述中央控制电脑用于控制所述转台均速转动，并获取匀速旋转下所述光纤陀螺感测的地球自转角速度数据；
所述中央控制电脑用于根据所述角速度数据，利用差分方法得到处理后所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据；
所述中央控制电脑用于根据所述光纤陀螺复合运动的角加速度数据，利用正交双通道互相关法，解算出所述光纤陀螺测量的寻北值。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储的计算机程序使得处理器执行如权利要求1至8任一项所述的基于光纤陀螺测量角加速度的寻北方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117968679A (zh) * 2024-03-28 2024-05-03 西安中科华航光电科技有限公司 一种惯性导航系统

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