WO2021012635A1 - 一种基于陀螺仪信息的惯性导航方法 - Google Patents

Abstract

一种基于陀螺仪信息的惯性导航系统和方法。系统包括：稳定平台模块，用于放置陀螺仪、加速度计、角度传感器及质量摆的稳定平台，陀螺仪主轴在惯性空间内保持不变，利用陀螺仪的稳定性控制平台在惯性空间稳定，通过随动系统稳定平台始终跟踪陀螺仪，从而保证平台稳定在惯性空间；导航计算模块，根据悬挂质量摆与惯性坐标系的三轴夹角，提取出有用信息，实现载体的速度信息及位置信息的解算；控制和显示模块，设置初始参数，并输出显示导航参数。其克服了传统惯性导航方案中误差随时间非线性增长的缺点，适合在地球表面附近稳定匀速或慢速运动的机动性不高的运载体的惯性导航，具有抗干扰能力强、长期精度高和稳定性好的特点。

Description

一种基于陀螺仪信息的惯性导航方法 技术领域

本发明属于导航技术领域，特别涉及了一种基于陀螺仪信息的惯性导航方法。

背景技术

传统的惯性导航技术采用陀螺仪和加速度计作为传感器来感应载体的运动信息，并通过多次积分的方式得到载体的姿态、速度和位置信息。由于采用了多次积分，造成惯性导航系统的位置误差随着时间成非线性增长，导致定位精度随着导航时间的增加快速降低，导航性能急剧下降。减小载体长时间航行时导航误差的快速增长是传统的惯性导航系统所欠缺的，也是本发明深入研究的内容。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于陀螺仪信息的惯性导航方法，提出利用位置陀螺搭建陀螺稳定平台，建立一个三维的空间坐标系，解决输入信号的测量基准，并利用陀螺仪的稳定性控制平台在地心惯性系稳定，输出有用的角度信息，推算得到载体速度、位置等导航信息，克服传统惯性导航系统中多次积分导致随着时间延长导航精度急剧下降的缺陷。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于陀螺仪信息的惯性导航系统，包括稳定平台、导航计算模块和输入输出模块；所述稳定平台包含中间圆台、与中间圆台平行的内平衡框架以及与中间圆台垂直的外平衡框架，中间圆台上设置3个输入轴互相垂直的陀螺仪，3个输入轴互相垂直的加速度计及对应的角度传感器；所述导航计算模块连接前述输 入输出模块、陀螺仪、加速度计和角度传感器；所述输入输出模块用于向导航计算模块输入初始参数以及输出显示导航计算模块解算的导航结果；导航计算模块根据陀螺仪采集的数据以及初始参数解算载体的速度、位置信息，导航计算模块根据角度传感器采集的数据解算载体的导航信息。

基于上述基于陀螺仪信息的惯性导航系统的导航方法，包括以下步骤：

步骤1：配置一个使用位置陀螺仪、加速度计、角度传感器及质量摆的稳定平台，其中加速度计提供辅助判定信息，角度传感器输出角度信息，陀螺仪维持平台模拟地心惯性系。通过确定陀螺仪及加速度计的布置方式，使得使用平台角度传感器信息即可实现速度、位置的解算，且使得它的输出方程描述载体相对于惯性参考系的线运动、角运动。

1)该方案采用的陀螺稳定平台始终相对地心惯性系稳定，当载体从地面一点移动到另外一点时，对陀螺仪没有控制信息，即不施加力矩，利用陀螺仪的稳定性控制平台在地心惯性系稳定，此时的平台坐标系模拟地心惯性系。图3是本发明A、B两点平台坐标系相对于地球坐标系的示意图，图4是本发明稳定平台跟踪地球的示意图。

2)利用陀螺稳定平台建立一个三维空间坐标系，解决输入信号的测量基准，使平台角度传感器提供角度信息，并以加速度计信息作为辅助判断的依据。图1是本发明稳定平台的俯视图，图2是本发明稳定平台的三维立体图。

步骤2：利用平台角度传感器输出信息得到载体的位置信息。解决问题的关键是载体的加速度模值|a|逼近于重力加速度值g时，输出此时指向地心方向的质量摆与地心惯性坐标系OX _iY _iZ _i的三个方向余弦角。

步骤3：基于三个方向余弦角来解算载体水平速度信息。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明提出的方法针对在地球表面附近稳定匀速或慢速运动的载体，可以 有效使得载体在长时间导航时保持较好的定位精度和定位效果，避免了传统惯性导航系统随时间的增长其导航误差呈非线性增长的缺点。

(2)本发明提出的平台方案原理可靠，手段灵活，性能稳定，提高惯性导航系统的适用性、有效性，为新型惯性导航平台的实际工作提供了新的思路和方法。

附图说明

图1是本发明稳定平台的俯视图；

图2是本发明稳定平台的三维立体图；

图3是本发明A、B两点平台坐标系相对于地球坐标系的示意图；

图4是本发明稳定平台跟踪地球的示意图；

图5是本发明系统载体运动示意图；

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明一种针对传统惯性导航系统在长时间导航时载体导航误差成非线性快速发散导致导航性能快速下降的问题，提出一种仅依靠位置陀螺输出信息并用加速度计辅助判断获取导航信息进行惯性导航的系统方案和算法，减小了系统的复杂度，为进一步提高导航精度提供了解决方案。所使用的算法流程框图如图6所示。方法包括下列步骤：

步骤1：配置一个使用位置陀螺仪、加速度计、角度传感器及质量摆的稳定平台，其中加速度计提供辅助判定信息，角度传感器输出角度信息，陀螺仪维持平台模拟地心惯性系。通过确定陀螺仪及加速度计的布置方式，使得使用平台角度传感器信息即可实现速度、位置的解算，且使得它的输出方程描述载体相对于 惯性参考系的线运动、角运动。其方法如下：

1)该方案采用的陀螺稳定平台始终相对地心惯性系稳定，当载体从地面一点移动到另外一点时，对陀螺仪没有控制信息，即不施加力矩，陀螺仪主轴在地心惯性系内保持不变，利用陀螺仪的稳定性控制平台在地心惯性系稳定，通过随动系统稳定平台始终跟踪陀螺仪，从而保证平台稳定在惯性空间，此时的平台坐标系模拟地心惯性坐标系。图1为稳定平台和地球表面间相对位置示意图。

由运动学关系可知，将载体视为一个质点，载体相对于惯性坐标系(g系)的转动角度包括两部分：地球坐标系(e系)相对于惯性坐标系(i系)的转动角度，地理坐标系(g系)相对于地球坐标系(e系)的转动角度，可表示为：

A _ig＝A _ie+A _eg

2)利用陀螺稳定平台建立一个三维空间坐标系，解决输入信号的测量基准，使平台角度传感器提供角度信息，并以加速度计信息作为辅助判断的依据。

图2为基于陀螺仪信息的新型惯性导航平台的仪器布置方式，平台有三个自由度，这是由平台轴、内平衡环和外平衡环在结构上保证的。

在平台上放置三个陀螺仪，它们的输入轴是互相垂直的。陀螺G _Y的输入轴平行于平台的OY _P轴，角动量H垂直平台面。陀螺G _X的输入轴平行于平台的OX _P轴，角动量H垂直平台面。陀螺G _Z的输入轴平行于平台的OZ _P轴(即方位轴)，角动量H平行平台面。

在平台上安装的三个加速度计A _X及A _Y分别沿着东西和南北两个方向放置，加速度计A _Z垂直于台面放置，它们的敏感轴组成三维正交坐标系，平台相对于惯性空间没有旋转角速度，加速度计的输出中不含有哥氏加速度项和向心加速度项。由于载体是相对于惯性空间稳定的，当载体运动后，平台坐标系相对于重力加速度g的方向是在不断变化的，因此出现在三个加速度计输出信号里的g分量

在初始时刻，平台系和惯性系重合。在载体上悬挂一个质量摆，在载体不存 在位移加速度的情况下，质量摆始终垂直指向地心方向。假设平台在起始点A时，重力加速度g正好与平台垂直，因此此时平台上水平安装的加速度计不感受重力加速度g的分量，平台到B点时，加速度计除了测量载体的位移加速度以外，还测量重力加速度的分量g _X、g _Y、g _Z。

步骤:2：利用平台角度传感器输出信息得到载体的位置信息。解决问题的关键是|a|逼近于重力加速度值g时，输出此时指向地心方向的质量摆与地心惯性坐标系OX _iY _iZ _i的三个方向余弦角α、β、γ。图5为本发明系统载体运动示意图。

假设平台上三个加速度计的输出分别为：a _X、a _Y、a _Z，则此时载体加速度输出的模为

由于当载体运动加速度为零时质量摆垂直指向地心，可得质量摆和地心惯性坐标系之间的方向余弦角度，所以当解算得到的|a|逼近于重力加速度值g时，输出此时指向地心方向的质量摆与地心惯性坐标系OX _iY _iZ _i的三个方向余弦角α、β、γ。

通过方向余弦角可得，载体在A点、B点的纬度分别为

要得到载体在A、B点的经度变化量，即求载体在XOY，A点和B点投影点A’点和B’点的夹角。

由于投影点坐标为：

A'(R cosα ₁,R cosβ ₁)；B'(R cosα ₂,R cosβ ₂)

则A'B'、OA'、OB'的长度可表示为：

根据

可得载体的经度变化量Δλ。假设陀螺初始的经纬度为λ ₀，运动到当前地理位置的导航时间为t，且初始地理位置和当前 地理位置的经度差为Δλ，地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度为ω _ie，则当前位置的经纬度信息可表示为λ ₀+Δλ-ω _ie*t，即可实时计算得到载体的经纬度：

步骤:3：基于三个方向余弦角α、β、γ来解算载体水平速度信息。速度信息可通过位置信息对时间微分得到，速度信息可以表示为：

其中R为地球的半径，t为载体经过地球表面该段弧长的时间。

本发明针对传统惯性导航系统中多次积分导致随着时间延长导航精度急剧下降的缺点，研究减少积分次数的导航系统和算法，以解决传统惯性导航误差随时间非线性快速增长的问题，满足长时间导航的需求。本发明通过平台上摆放的角度传感器感知载体在地球周围的运动信息，提取出有用的运动信息及角度信息，建立角度和经纬度的对应关系，通过数学推导解算出载体所需要的导航信息，实现减小长航时的导航误差的目的。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种基于陀螺仪信息的惯性导航系统，其特征在于，包括：

   稳定平台模块：用于放置陀螺仪、加速度计、角度传感器及质量摆的稳定平台，陀螺仪主轴在惯性空间内保持不变，利用陀螺仪的稳定性控制平台在惯性空间稳定，通过随动系统稳定平台始终跟踪陀螺仪，从而保证平台稳定在惯性空间；

   导航计算模块：根据悬挂质量摆与惯性坐标系的三轴夹角，提取出有用信息，实现载体的速度信息及位置信息的解算；

   控制和显示模块：设置初始参数，并输出显示导航参数。
2. 根据权利要求1所述基于陀螺仪信息的惯性导航系统，其特征在于，所述平台系统模块包括：

   由三个位置陀螺仪组成的三环平台，三个加速度计，三个角度传感器，三个陀螺控制轴的力矩电机及一个质量摆，利用陀螺仪的稳定性控制平台在惯性空间稳定；
3. 根据权利要求1所述基于陀螺仪信息的惯性导航系统，其特征在于，所述导航计算模块包括：

   由控制台给出的初始条件和质量摆与惯性系三轴夹角进行导航计算，根据指向地心方向的质量摆与惯性坐标系的三个方向余弦角，得到载体的位置信息，并通过对位置信息的单次微分得到载体的速度信息，将以上所得的载体运动参数和导航参数送去显示输出模块。
4. 根据权利要求1所述基于陀螺仪信息的惯性导航系统，其特征在于，所述显示输出模块包括：

   输出显示单元和参数输入单元，输出显示单元将载体的速度信息、位置信息显示输出，参数输入单元接收初始参数和校正参数的输入和装订。
5. 一种基于陀螺仪信息的惯性导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

   (1)配置一个使用位置陀螺仪、加速度计、角度传感器及质量摆的稳定平台，其中加速度计提供辅助判定信息，角度传感器输出角度信息，陀螺仪维持平台模拟地心惯性系。通过确定陀螺仪及加速度计的布置方式，使得使用平台角度传感器信息即可实现速度、位置的解算，且使得它的输出方程描述载体相对于惯性参考系的线运动、角运动。

   1)该方案采用的陀螺稳定平台始终相对地心惯性系稳定，其特征在于当载体从地面一点移动到另外一点时，对陀螺仪没有控制信息，即不施加力矩，利用陀螺仪的稳定性控制平台在地心惯性系稳定，此时的平台坐标系模拟地心惯性系。图3是本发明A、B两点平台坐标系相对于地球坐标系的示意图，图4是本发明稳定平台跟踪地球的示意图。

   2)利用陀螺稳定平台建立一个三维空间坐标系，解决输入信号的测量基准，使平台角度传感器提供角度信息，并以加速度计信息作为辅助判断的依据。图1是本发明稳定平台的俯视图，图2是本发明稳定平台的三维立体图。

   (2)利用平台输出信息得到载体的位置信息。解决问题的关键是|a|接近于重力加速度值g时，输出此时指向地心方向的质量摆与地心惯性坐标系OX _iY _iZ _i的三个方向余弦角。

   (3)基于三个方向余弦角来解算载体水平速度信息。

Images