CN211824459U - 一种一体化动态航向姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种一体化动态航向姿态测量装置，包括卫导天线、电子机箱和本体；本体包括惯性测量单元、经纬仪和集成安装基座，所述惯性测量单元固定安装在所述集成安装基座上，所述经纬仪安装在所述惯性测量单元上，且所述经纬仪的方位轴垂直于安装平面；所述电子机箱内设有数据处理模块和卫导接收机模块；所述卫导接收机模块分别与所述卫导天线和所述数据处理模块；所述数据处理模块还与所述本体中的惯性测量单元以及经纬仪通信连接。将光学经纬仪和惯性测量单元以一体化共基座的方式安装，能够有效降低惯性测量单元与光学经纬仪间的基准传递误差。采用惯性/卫星组合导航，实时性好，且摒除了传统航向姿态测量设备动态适应性差的缺陷。

Description

一种一体化动态航向姿态测量装置

技术领域

本实用新型涉及导航、计量检测技术领域，具体涉及一种一体化动态航向姿态测量装置。

背景技术

众所周知，航向姿态信息是舰船与飞机安全航行(飞行)、警戒探测设备搜索跟踪、火炮打击、导弹发射等必需的关键信息要素，由于平台基准、导航设备与雷达光电等在不同安装位置，因此需要采用航向、姿态基准测量装置进行基准统一、零位标校，且在设备维修、检修等不同阶段需要进行复校、复验，目前上述工作只能在静态条件下进行，因此，设计一种能够为舰船、飞机等提供动态条件下航向姿态信息的标校检验装置具有现实意义。

传统舰船用航向姿态信息标校检验装置主要采用陀螺经纬仪来实现方位标校检验，采用水平仪实现水平标校检验，能够获取较高精度的航向姿态信息。但陀螺经纬仪、水平仪只能在静基座条件下使用，而舰船平台下的设备维修以及更换零部件后的安装、标校、复检和复校等工作都需要在动态条件下进行，因此为满足舰船用各类设备对航向姿态信息的精度要求，上述工作通常被迫在舰船坞修时进行，导致舰船设备标校周期长、程序复杂、难度大、不能按需要随时予以标校等问题。可以看出，传统基于静基座的航向姿态信息标校检验方法极大地限制了舰船的正常机动，设计能够实时、动态完成航向姿态信息标校检验的装置已迫在眉睫。

现阶段，主要有两类面向舰船动态环境的航向姿态信息标校检验方法：瞄星法和岸舰对瞄法。

瞄星法以舰船甲板相对不稳定坐标系为基准，利用北极星等亮度合适的星体作为瞄准目标，使基准测星设备(真值设备)和待测量设备同时瞄准目标星体，同时进行测量，获取两个设备的测量的相对方位角和俯仰角信息并计算出测量信息。瞄星法只能完成几个设备间相对差值的标校，无法与平台基准间进行标校，不能完成相对真北航向检验，更不能进行绝对姿态标校测量。而且，瞄星法需要在夜深人静的夜晚、天气条件合适的相对稳定环境下进行，极易受到天气、海面情况、天空能见度、舰艇摇晃程度等因素影响。此外，两个或多个瞄星设备同时读取数据容易受到人为操作因素影响，会对最终测量结果引入人为的测量误差。

岸舰对瞄法将两台经纬仪分别架设在舰船上和岸基上，两台经纬仪互瞄对准后，可以读取经纬仪上的方位角和高低角，再进行坐标变换后可获得待测设备在舰艇上的角度误差。岸舰对瞄法可作为瞄星法的补充，可以一定程度上避免气象条件的影响，但其测量复杂度高于瞄星法，测量精度差于瞄星法。而且，在岸舰对瞄法的具体实施过程中，依然对舰船所处的环境有较高要求，要求舰船在相对稳定的环境(如半坐墩，静水湾等)下进行，且尽量确保每次测量时舰船处于同一状态。此外，岸舰对瞄法对待测设备的水平度有较为苛刻的要求，否则容易导致岸舰互瞄法存在较大误差。同时，岸舰对瞄法与瞄星法一样，对操作人员的具体操作动作较为敏感。

综上所述，必须研究一种新型航向姿态测量装置来实现舰船动态条件下的航向姿态标校检验。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种一体化动态航向姿态测量装置，利用惯性测量装置在动态条件下连续输出航向姿态信息的特点，结合集成安装基座实现姿态信息的传递，并结合光学经纬仪实现方位信息传递，最终实时、动态获取待测设备相对真北方向的航向及相对水平方向的姿态。该装置中的光学经纬仪能够相对惯性测量装置转动，具有较广的测量空间范围。且装置不仅可以提供连续的航向姿态信息，也能将惯性导航信息和卫星导航信息相融合而提高整体的精度，最终实现对设备航向姿态信息的实时、动态标校检验。该装置可用于舰船、飞机上武器设备的方位动态标校检验，也可以用于其他导航设备的航向姿态标校检验。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种一体化动态航向姿态测量装置，包括卫导天线、电子机箱和本体；

所述本体包括惯性测量单元、经纬仪和集成安装基座，所述惯性测量单元固定安装在所述集成安装基座上，所述经纬仪安装在所述惯性测量单元上，且所述经纬仪能够绕着垂直于安装平面的方位轴转动；

所述电子机箱内设有数据处理模块和卫导接收机模块；所述卫导接收机模块分别与所述卫导天线和所述数据处理模块；所述数据处理模块还与所述本体中的惯性测量单元以及经纬仪通信连接。

本实用新型的有益效果是：

1、采用惯性测量单元作为测量目标航向姿态信息的核心，实时性好；

2、将光学经纬仪和惯性测量单元以一体化共基座的方式安装，能够有效降低惯性测量单元与光学经纬仪间的基准传递误差，不仅摒除了运载体不同部位形变不一致带来的影响，也摒除了传统航向姿态测量设备需要繁杂三脚架等辅助设备的限制，有利于提高对载体航向姿态信息的测量精度。同时，共基座安装方式极大地缩小了设备的整体体积，有利于设备的现场安装、标校、测试；

3、采用惯性/卫星组合导航作为进一步提高整体航向姿态测量精度的核心，充分利用了惯性导航具备的导航信息完善、抗干扰能力强、动态性能强特点以及卫星导航具备的误差不随时间累积、定位精度高特点，摒除了传统航向姿态测量设备动态适应性差的缺陷。

进一步的，所述惯性测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和数据处理电路，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计均与所述数据处理电路的输入端连接，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计的测量数据经过所述数据处理电路处理后经所述数据处理电路的输出端输出至所述电子机箱的数据处理模块。

进一步的，所述三轴陀螺仪采用激光陀螺仪或光纤陀螺仪或半球谐振陀螺仪中的一种。

进一步的，所述三轴加速度计采用石英挠性加速度计或微纳光学加速度计中的一种。

进一步的，所述惯性测量单元为惯性导航系统或捷联航向姿态基准中的一种。

进一步的，所述经纬仪为电子经纬仪或光学经纬仪。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的测量装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的测量装置在进行航姿测量过程中的信息传递链路示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、卫导天线，2、电子机箱，3、本体，31、惯性测量单元，32、经纬仪，33、集成安装基座。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例

本实施例提供一种一体化航向姿态测量装置，该装置采用惯性/光学经纬仪/卫星组合策略，能够为舰船及其搭载设备提供精准的动态绝对航向姿态信息，实现舰载设备的航向姿态动态标校检验，解决了惯性测量组件与光学经纬仪一体化设计及其两者之间基准统一问题，解决了陀螺漂移及加表漂移器件误差在线标定补偿问题，解决了测量装置基准建立及与被测目标之间航向姿态零位标校自动补偿问题。

具体的，如图1所示，该测量装置包括卫导天线1、电子机箱2和本体 3三部分；

所述本体3包括惯性测量单元31、经纬仪32和集成安装基座33，所述惯性测量单元31固定安装在所述集成安装基座33上，所述经纬仪32安装在所述惯性测量单元31上，且所述经纬仪32的方位轴垂直于安装平面；

其中惯性测量单元由三轴陀螺仪、三轴加速度计及数据处理电路组成，用于敏感载体角运动和线运动，进而算得惯性测量单元所在安装位置的绝对航向和姿态等信息；光学经纬仪能够相对惯性测量单元进行转动，用于测量惯性测量单元与被测目标之间的相对航向信息；集成安装基座用于将惯性测量单元的姿态信息传递至被测目标；电子机箱包括电源模块、数据处理模块、卫星导航接收机模块，对惯性测量单元、光学经纬仪及卫星导航系统的测量值进行处理，解算并输出航向、姿态信息。

使用时，包括以下几个步骤。

1装置安装

在被测目标附近安装本装置，使得经纬仪瞄准镜高度与被测目标基准镜基本一致。同时，通过电子差分水平仪输出数据，调整本装置集成安装基座的空间安装状态，使本装置的安装基准面和被测目标的基准面平行。

2惯性测量单元初始对准

装置开机，完成惯性测量单元初始对准。

初始对准包括粗对准和精对准两个阶段。

粗对准过程中，综合当前载体运动状态，得到惯性测量单元的粗略姿态，进而完成惯性测量单元的粗对准，具体为：根据地球自转角速度和地球重力加速度的空间分布关系，利用动态解析对准算法快速确定惯导粗略水平姿态及航向，同时采用卫导速度信息计算当前载体航迹向，基于动态解析航向与航迹向信息，综合考虑当前载体运动状态，即载体运动速度大小与航向姿态变化情况，获得粗对准阶段的载体初始航向姿态信息，转入精对准阶段。

精对准过程中，进行基于Kalman滤波的精对准进程，同步采集卫导的位置信息、速度信息，计算惯性测量单元相对地理坐标系的位置误差和速度误差作为Kalman滤波器的观测量，结合惯导误差模型进行Kalman滤波，完成基于Kalman滤波的惯性测量单元精对准，确定惯性测量单元的初始航向姿态信息、位置信息和速度信息，最终实现针对惯性单元的完整初始对准。

3组合导航解算(该步骤为电子机箱内部数据处理流程，用于解释说明装置工作原理)

惯性测量单元初始对准完成后，电子机箱自动对卡尔曼滤波的状态初始值、协方差矩阵、过程噪声矩阵及量测噪声矩阵等参数进行重置，使设备转入组合导航阶段，输出绝对航向和姿态信息。

在组合导航阶段过程中，进行惯性导航解算，得到航向姿态参数，并构造用于卡尔曼滤波的状态转移矩阵与观测矩阵。

当卫星信号来临时，卫星导航接收机模块解算得到载体的导航信息，将来自惯导的位置和速度信息与来自卫星导航接收机的位置和速度信息做差，得到滤波用基于卫星的观测量，触发组合滤波实现惯导误差的修正。

4经纬仪瞄准

在惯性测量单元转入组合导航阶段后，操作经纬仪，使经纬仪瞄准被测目标，具体步骤如下：

(1)将望远镜对向明亮背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成象清晰。

(2)松开照准部制动螺旋与望远镜制动螺旋，转动照准部与望远镜，通过望远镜上的照门和准星对准目标，然后旋紧制动螺旋。

(3)转动位于镜筒上的物镜对光螺旋，使目标成像清晰并检查有无视差存在，如果发现有视差存在，应重新进行对光，直至消除视差。

(4)旋转微动螺旋，使十字丝纵丝完全瞄准被测目标。

5航向零位差测量

在经纬仪瞄准被测目标后，装置已具备针对航向和姿态信息的动态测量能力。首先测量被测目标相对于经纬仪的动态航向信息，即航向零位差，具体步骤如下：

以装置集成安装基座为参考，以经纬仪盘左位置(竖盘在望远镜视准方向的左侧)照准目标M，读取水平度盘读数m左，以顺时针方向转动照准部照准目标N，读取水平度盘读数n左，则盘左所测的测回角值为：A＝n_左-m_左。

以上完成了上半个测回。为了检核及消除仪器误差对测角的影响，应该以经纬仪盘右位置再作下半个测回。作下半测回时，先照准左目标N，逆时针方向转动照准部照准目标M，设水度盘读数分别为n右、m右，则下半测回角值：B＝n_右-m_右。

上、下两个半测回角值差(称不符值)应≤±40″，为达到精度要求取平均值作为一最终的航向零位差测量结果，即0.5(A+B)。

6姿态零位差测量

完成航向零位差测量以后，进行姿态零位差测量。为此，将电子差分水平仪的两个分立测量部份分别安放在本装置集成安装基座和被测目标基座上，基于电子差分水平仪实时输出的数据，动态获取本装置集成安装基座和被测目标基座之间的相对水平姿态信息，即姿态零位差。

7航姿误差测量

以经纬仪测得的航向零位差为基础，依据经纬仪和惯性测量单元之间的空间关系，将惯性测量单元测得的绝对航向信息传递至被测目标。同时以电子差分水平仪测得的姿态零位差为基础，将惯性测量单元测得的绝对姿态信息传递至被测目标。最终得到被测目标的航向和姿态信息。

本实施例中惯性测量单元内的陀螺仪可使用激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺等代替。

本实施例中惯性测量单元内的加速度计可使用石英挠性加速度计、微纳光学加速度计等代替。

本实施例中光学经纬仪可由电子经纬仪代替。

装置工作时，惯性测量装置根据陀螺仪和加速度计输出的角运动和线运动信息，通过初始对准、有害加速度滤除、内杆臂补偿、不可交换误差修正、速度更新及姿态更新等，能够实时地、连续地、自主地提供运载体航向、姿态等惯性基导航数据，但由于惯性测量单元中陀螺仪和加速度计存在测量误差，导致惯性基导航数据含有随时间累积的误差。卫星导航接收机通过射频模块将接收机信号混频下变频、滤波、放大到合适的输出频率，经过A/D转换为数字中频信号，然后依次进行快速捕获、精确跟踪、位/帧同步，电文解调以及导航定位结算，能够为载体提供稳定的、不随时间发散的位置、速度及时间等卫导基导航数据，但由于电磁波的传输问题，导致卫导基导航数据面临数据频率低、抗干扰能力弱等限制。可以看出，惯性测量装置和卫星导航接收机能够提供有缺互补的导航信息，基于此，利用组合滤波手段，可以将两者进行信息融合，对惯性测量装置输出的航向姿态信息进行校正，从而获取精准航向姿态信息。测量过程的整体信息传递链路如图2所示。

在融合惯性数据和卫星数据而获得航向姿态信息的基础上。考虑到光学经纬仪能够提供高精度相对航向变化信息的特点，并结合集成安装基座传递的姿态信息，可以获取被测物体相对于惯性测量装置的相对航向和姿态变化量。根据上述相对航向和姿态变化量以及惯导输出的绝对航向姿态基准，结合姿态转换算法可获取针对被测目标的高精度、连续的航向姿态信息。

相比于现有技术，本实施例采用惯性测量单元作为测量目标航向姿态信息的核心，在测量过程中，惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计能够以超过 200Hz的频率输出数据，远超以往传统航向姿态测量设备的数据输出频率，能够实时反映载体的真实角运动和线运动信息。再结合圆锥效应补偿、划船效应补偿、内杆臂修正、器件温度控制等过程，依据数值积分理论进行有害加速度修正、位置更新、速度更新、姿态更新，最终完成对载体航向姿态信息的实时测量。

本实施例采用电子差分水平仪实时动态测量装置集成安装基座和被测目标基座之间的相对姿态信息，从而将惯性测量单元的绝对姿态信息高精度传递至被测目标，完成被测目标位置处姿态信息的高精度测量。

本实施例将光学经纬仪和惯性测量单元以一体化共基座的方式安装，能够有效降低惯性测量单元与光学经纬仪间的基准传递误差，不仅摒除了运载体不同部位形变不一致带来的影响，也摒除了传统航向姿态测量设备需要繁杂三脚架等辅助设备的限制，有利于提高对载体航向姿态信息的测量精度。同时，共基座安装方式极大地缩小了设备的整体体积，有利于设备的现场安装、标校、测试。

本实施例采用惯性/卫星组合导航作为进一步提高整体航向姿态测量精度的核心，充分利用了惯性导航具备的导航信息完善、抗干扰能力强、动态性能强特点以及卫星导航具备的误差不随时间累积、定位精度高特点，摒除了传统航向姿态测量设备动态适应性差的缺陷。通过设计描述惯导误差传播规律的状态模型，构造针对陀螺仪和加速度计测量误差的高精度模型，建立可靠的观测方程，再结合可靠的组合滤波技术，能够完成对各状态变量的准确估计，最终完成提供高精度、高动态的航向姿态信息。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种一体化动态航向姿态测量装置，其特征在于，包括卫导天线(1)、电子机箱(2)和本体(3)；

所述本体(3)包括惯性测量单元(31)、经纬仪(32)和集成安装基座(33)，所述惯性测量单元(31)固定安装在所述集成安装基座(33)上，所述经纬仪(32)安装在所述惯性测量单元(31)上，且所述经纬仪(32)能够绕着垂直于安装平面的方位轴转动；

所述电子机箱(2)内设有数据处理模块和卫导接收机模块；所述卫导接收机模块分别与所述卫导天线(1)和所述数据处理模块通信连接；所述数据处理模块还与所述本体(3)中的惯性测量单元(31)以及经纬仪(32)通信连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述惯性测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和数据处理电路，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计均与所述数据处理电路的输入端连接，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计的测量数据经过所述数据处理电路处理后经所述数据处理电路的输出端输出至所述电子机箱(2)的数据处理模块。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述三轴陀螺仪采用激光陀螺仪或光纤陀螺仪或半球谐振陀螺仪中的一种。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述三轴加速度计采用石英挠性加速度计或微纳光学加速度计中的一种。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述惯性测量单元为惯性导航系统或捷联航向姿态基准中的一种。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述经纬仪(32)为电子经纬仪或光学经纬仪。

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