CN1932444A - 适用于高速旋转体的姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为适用于高速旋转体的姿态测量方法，涉及旋转体的姿态测量方法。本发明解决现有载体姿态测量方法无法适用于轴向高速旋转载体的问题。该测量方法是在载体上安装测量轴分别与载体坐标系的纵轴、横轴、竖轴相重合的三个加速度计A_x、A_y、A_z和测量轴分别与横轴、竖轴相重合的两个速率陀螺仪G_y、G_z；在载体上还安装有测量轴与横轴的负方向相重合的辅助加速度计A′_y；高速旋转体纵轴的角速度ω_x由如上计算表达式求得，后续的姿态解算与导航解算便可借助捷联惯性导航系统中的相关理论和方法完成。该方法可实现高速旋转体的姿态测量。

Description

适用于高速旋转体的姿态测量方法

技术领域

本发明涉及旋转体(如飞行器)的惯性导航技术，特别涉及高速旋转体的姿态测量方法，具体为一种适用于高速旋转体的姿态测量方法。

背景技术

捷联原文为“strapdown”，有“直接固联”的意思。捷联式姿态测量系统是将惯性测量元件直接安装在载体上，省去了惯性平台的台体，代之以存贮在计算机中的“数学平台”。捷联式姿态测量系统是一个信息处理系统，即载体安装的惯性测量元件所测量的飞行器运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。由于省去了物理平台，所以结构简单，体积、重量和成本都大大降低，而且维护方便。捷联式系统提供的信息全部是数字信息，特别适合在采用数字飞行控制系统的飞行器上。

现有的捷联式姿态测量方法是直接在载体上安装三个加速度计和三个速率陀螺仪，三个加速度计A_x、A_y、A_z和三个速率陀螺仪G_x、G_y、G_z的测量轴分别与载体坐标系b的纵轴ox_b(也称滚动轴，向前)、横轴oy_b(也称俯仰轴，向右)以及竖轴oz_b(也称偏航轴，向下)相重合(如图1所示)。加速度计和速率陀螺仪以及后续处理装置置于一个壳体内，而形成惯性导航系统或装置。该测量方法通常是敏感ox_b、oy_b以及oz_b三个轴向上的线加速度和旋转角速率(角度)。在得到三个轴向的线加速度a_x、a_y、a_z和旋转角速率ω_x、ω_y、ω_z的输出值后，利用捷联惯导系统中以四元数为基础的等效旋转矢量算法，对旋转体的实时姿态信息进行更新和提取。我们称这种测量方法为全加速度计阵列和纯陀螺的姿态测试方法。

在实际中，有些载体(飞行器，如弹体)滚动轴向(ox_b)转速非常高(即为高速旋转体)，而其余轴的转速相对较低。现有速率陀螺仪受测量精度和测量范围的限制，无法及时感知高速旋转体滚动轴向的旋转角速率，使测量系统工作不可靠，而无法正常工作。因此，现有的捷联式姿态测量方法仅适用于轴向低速旋转的载体，无法适用于轴向高速旋转载体。

发明内容

本发明为了解决现有载体姿态测量方法无法适用于轴向高速旋转载体的问题，提供一种适用于高速旋转体的姿态测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：适用于高速旋转体的姿态测量方法，在载体上安装测量轴分别与载体坐标系的纵轴(滚动轴)ox_b、横轴(俯仰轴)oy_b、竖轴(偏航轴)oz_b相重合的三个加速度计A_x、A_y、A_z和测量轴分别与横轴oy_b、竖轴oz_b相重合的两个速率陀螺仪G_y、G_z；在载体上还安装有测量轴与横轴(俯仰轴)oy_b的负方向相重合的辅助加速度计A′_y；高速旋转体纵轴(滚动轴)的角速度ω_x由如下计算表达式求得：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{a_y+a_{y^{\′}}}{2\·r}}$

式中，r为加速度计A_y和A′_y距离惯性导航系统(装置)中心的安装距离，a_y、a_y’分别为加速度计A_y和A′_y输出的线加速度的比力信息；在得到高速旋转体三个轴向的旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z和线加速度a_x、a_y、a_z之后，后续的姿态解算与导航解算便可借助捷联惯性导航系统中的相关理论和方法完成，即利用捷联惯导系统中以四元数为基础的等效旋转矢量算法，对旋转体的实时姿态信息进行更新和提取。

本发明摒弃了全加速度计阵列和纯陀螺的姿态测量方法，而是采用一种综合应用加速度计与陀螺仪输出信息的新型姿态测量方法。本发明所述的测量方法有效地解决了现有MEMS惯性敏感元件——速率陀螺仪在测量精度和测量范围方面，无法满足高速旋转体姿态测量的现状。在现有速率陀螺仪的基础上，该方法可实现高速旋转体的姿态测量。

附图说明

图1为现有旋转体姿态测量方法中加速度计和速率陀螺仪的安装位置示意图；

图2为本发明所述的适用于高速旋转体的姿态测量方法中加速度计和速率陀螺仪的安装位置示意图；

具体实施方式

适用于高速旋转体的姿态测量方法，在载体上安装测量轴分别与载体坐标系的纵轴(滚动轴)ox_b、横轴(俯仰轴)oy_b、竖轴(偏航轴)oz_b相重合的三个加速度计A_x、A_y、A_z和测量轴分别与横轴oy_b、竖轴oz_b相重合的两个速率陀螺仪G_y、G_z，其中，加速度计A_x、A_y、A_z分别输出三个轴向线加速度a_x、a_y、a_z，速率陀螺仪G_y、G_z分别输出横轴(俯仰轴)oy_b和竖轴(偏航轴)oz_b的旋转角速度ω_y、ω_z；在载体上还安装有测量轴与横轴(俯仰轴)oy_b的负方向相重合的辅助加速度计A′_y；高速旋转体纵轴(滚动轴)的角速度ω_x由如下计算表达式求得：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{a_y+a_{y^{\′}}}{2\·r}}$

式中，r为加速度计A_y和A′_y距离惯性导航系统(装置)中心的安装距离，a_y、a_y’分别为加速度计A_y和A′_y输出的线加速度的比力信息；在得到高速旋转体三个轴向的旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z和线加速度a_x、a_y、a_z之后，后续的姿态解算与导航解算便可借助捷联惯性导航系统中的相关理论和方法完成，即利用捷联惯导系统中以四元数为基础的等效旋转矢量算法，对旋转体的实时姿态信息进行更新和提取。

Claims (1)

1、一种适用于高速旋转体的姿态测量方法，在载体上安装测量轴分别与载体坐标系的纵轴ox_b、横轴oy_b、竖轴oz_b相重合的三个加速度计A_x、A_y、A_z和测量轴分别与横轴oy_b、竖轴oz_b相重合的两个速率陀螺仪G_y、G_z；其特征为：在载体上还安装有测量轴与横轴oy_b的负方向相重合的辅助加速度计A′_y；高速旋转体纵轴的角速度ω_x由如下计算表达式求得：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{a_y+a_{y^{\′}}}{2\·r}}$

式中，r为加速度计A_y和A′_y距离惯性导航系统中心的安装距离，a_y、a_y’分别为加速度计A_y和A′_y输出的线加速度比力信息；在得到高速旋转体三个轴向的旋转角速度ω_x、ω_y、ω_z和线加速度a_x、a_y、a_z之后，后续的姿态解算与导航解算便可借助捷联惯性导航系统中的相关理论和方法完成。

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