專(zhuān)利名稱(chēng)：產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陀螺儀表工程，并且可以用于海運(yùn)設(shè)備、航空設(shè)備和地面車(chē)輛等載運(yùn)工具的導(dǎo)航。

背景技術(shù)：
導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置(方位)的產(chǎn)生方法是眾所周知的。該方法包括利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力(力分量)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸連接著陀螺平臺(tái)；產(chǎn)生陀螺平臺(tái)控制信號(hào)；接下來(lái)，借助于陀螺儀或絕對(duì)角速度傳感器顯示所產(chǎn)生的信號(hào)[1]。除此之外，產(chǎn)生方法可以包括利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力；測(cè)量來(lái)自陀螺或絕對(duì)角速度傳感器的信號(hào)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸沿著儀表三維坐標(biāo)架(trihedral)的軸線(xiàn)定向；借助于慣性系統(tǒng)的操作模擬得到方位問(wèn)題的解析解[2]；產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置。
上述方法的缺點(diǎn)在于，精度性能和動(dòng)態(tài)特性有限。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高所述方法的精度性能并且增強(qiáng)其動(dòng)態(tài)能力。
上述技術(shù)效果可通過(guò)下面的措施實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有彈道偏差時(shí)，在陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的自然周期與舒勒周期不同的條件下，產(chǎn)生陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的控制信號(hào)；利用慣性系統(tǒng)或它們的模型產(chǎn)生的同類(lèi)數(shù)據(jù)與各種自然周期之間的差異，提供每個(gè)慣性系統(tǒng)或每個(gè)慣性系統(tǒng)模型的漸近式穩(wěn)定化(自發(fā)衰減)；利用慣性系統(tǒng)或它們的模型產(chǎn)生的同類(lèi)數(shù)據(jù)與各種自然周期之間的差異，以不同的參數(shù)“n”，提供對(duì)儀器誤差的評(píng)估；通過(guò)增加對(duì)羅盤(pán)子午線(xiàn)的控制力來(lái)提高所產(chǎn)生的載運(yùn)工具航向的精度并降低系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間。
通過(guò)方位問(wèn)題的解析解，可以獲得儀表誤差評(píng)估和改進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面的最佳效果。在這種情況下，來(lái)自具有不同參數(shù)且處于不同模式的慣性系統(tǒng)的不同模型的同類(lèi)數(shù)據(jù)被比較?？梢蕴峁?shí)施本發(fā)明方法的慣性系統(tǒng)的若干實(shí)施例具有線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)，其陀螺平臺(tái)位于二軸或三軸常平架中；具有線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)，其與具有積分校正(integral correction)的慣性系統(tǒng)相組合；捷聯(lián)慣性系統(tǒng)(strapdown inertial system)。下面將描述最普通的情況。

具體實(shí)施例方式 附圖中顯示了用于執(zhí)行本發(fā)明方法的慣性系統(tǒng)的功能框圖(見(jiàn)

圖1)。
被考察的具有線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)上相同的穩(wěn)定陀螺平臺(tái)1和1’，以及單元2-其為控制和輸出所產(chǎn)生參數(shù)的單元。每個(gè)穩(wěn)定陀螺平臺(tái)上設(shè)有一個(gè)二自由度陀螺儀(3和3’)。在此，陀螺的角動(dòng)量垂直于陀螺平臺(tái)的平面。陀螺儀具有轉(zhuǎn)矩發(fā)生器4、5和4’、5’以及角度感應(yīng)器6、7以及6’、7’。此外，每個(gè)穩(wěn)定陀螺平臺(tái)上裝有加速度計(jì)8、9或8’、9’。每個(gè)陀螺平臺(tái)上的加速度計(jì)靈敏軸彼此正交并且平行于陀螺平臺(tái)平面。一個(gè)加速度計(jì)的軸平行于陀螺平臺(tái)的常平架(gimbal)的內(nèi)軸。常平架11和11’的外軸安裝在公共常平環(huán)18(見(jiàn)圖2)中。公共常平環(huán)的軸安裝在水平穩(wěn)定平臺(tái)19上。軸11和11’平行于穩(wěn)定平臺(tái)19的平面，并且相互平行。電機(jī)20和航向傳感器21設(shè)置在公共常平環(huán)的軸上。角度感應(yīng)器16和16’也設(shè)置在公共環(huán)18上，用于測(cè)量速度偏差α1和α2。陀螺儀3和3’的角度感應(yīng)器6、7和6’、7’的輸出端借助于放大器12、13和12’、13’連接至電機(jī)14、15和14’、15’的輸入端，電機(jī)連接著常平架軸。角度感應(yīng)器16、17和16’、17’也連接著常平架軸。陀螺3和3’的轉(zhuǎn)矩發(fā)生器4、5和4’、5’的輸入端連接著控制和輸出參數(shù)產(chǎn)生單元2的相應(yīng)輸出端。加速度計(jì)8、9和8’、9’以及角度感應(yīng)器16、17和16’、17’的輸出端連接著單元2的相應(yīng)輸入端。單元2與具有積分校正功能的慣性系統(tǒng)之間具有數(shù)據(jù)通信。
單元2對(duì)使用者的輸出為K-載運(yùn)工具航向，-緯度，λ-經(jīng)度，θ和ψ-滾轉(zhuǎn)角度和俯仰角度。
這里提出的系統(tǒng)以下述方式操作。利用來(lái)自陀螺3和3’的角度感應(yīng)器6、7和6’、7’的誤差信號(hào)，通過(guò)電機(jī)14、15和14’、15’分別使每個(gè)陀螺平臺(tái)與陀螺殼體恒定地保持在一個(gè)平面內(nèi)。
利用產(chǎn)生于單元2中的信號(hào)的控制電流通過(guò)陀螺3和3’的轉(zhuǎn)矩發(fā)生器4、5和4’、5’施加扭矩，借助于所述扭矩將每個(gè)陀螺的殼體與陀螺平臺(tái)一起帶到與給定陀螺平臺(tái)的速度偏差指示值相對(duì)應(yīng)的位置。每個(gè)陀螺平臺(tái)的速度偏差指示值彼此不同，因此角度感應(yīng)器16和16’的讀數(shù)差異成為用于確定達(dá)布三維坐標(biāo)架(Darbouxtrihedron)的絕對(duì)角速度的水平分量的初始數(shù)據(jù)源。利用伺服電機(jī)20，公共常平環(huán)18的平面恒定地保持在垂直于羅盤(pán)子午線(xiàn)所在平面的方向上。
假定選擇達(dá)布移動(dòng)三維坐標(biāo)架作為初始坐標(biāo)系E0N0ζ0，其軸線(xiàn)ON0定向?yàn)榻^對(duì)角速度

的水平分量。那么，三維坐標(biāo)架E2N2ζ2絕對(duì)角速度在其軸線(xiàn)上的投影為0、

r。三維坐標(biāo)架E0N0ζ0頂點(diǎn)加速度在其軸OE0和ON0上的投影為

rV。其中g(shù)-重力。
假定右手坐標(biāo)系E1N1ζ1剛性結(jié)合于第一陀螺平臺(tái)的陀螺殼體。假定坐標(biāo)系E2N2ζ2剛性結(jié)合于第二陀螺平臺(tái)的陀螺殼體。通過(guò)繞軸線(xiàn)OE0轉(zhuǎn)動(dòng)角度α1并繞輔助軸線(xiàn)ON1’轉(zhuǎn)動(dòng)角度β1，得到坐標(biāo)系E1N1ζ1。通過(guò)繞軸線(xiàn)OE0轉(zhuǎn)動(dòng)角度α2并繞輔助軸線(xiàn)ON2’轉(zhuǎn)動(dòng)角度β2，得到坐標(biāo)系E2N2ζ2。
考慮到陀螺漂移，三維坐標(biāo)架E1N1ζ1和E2N2ζ2的絕對(duì)角速度在軸線(xiàn)OE1、ON1、OE2、ON2上的投影為 三維坐標(biāo)架E1N1ζ1和E2N2ζ2的頂點(diǎn)在軸線(xiàn)OE1、ON1和軸線(xiàn)OE2、ON2上的特定力投影為 WN1＝gsinα1+rVcosα1+ΔWN1 WN2＝gsinα2+rVcosα2+ΔWN2 其中Δp1、Δp2、Δq1、Δq2-陀螺漂移。
ΔWE1、ΔWN1、ΔWE2、ΔWN2-加速度計(jì)誤差。為了使得陀螺平臺(tái)的自然周期不同于舒勒周期(Schuler period)，速度偏差的不變值可以是，例如 或 陀螺控制信號(hào)在坐標(biāo)系E1N1ζ1和E2N2ζ2中可以具有例如下述形式 其中ω0-舒勒頻率； n1、n2-系統(tǒng)參數(shù)。
假定m＝-n1＝n，2αdev.＝α2-α1-角度感應(yīng)器16’和16讀數(shù)的差異； 為了為這種情況提供速度偏差的不變值，陀螺控制信號(hào)可以具有以下形式，例如， 提供給電機(jī)20的控制穩(wěn)定性的信號(hào)為其中

產(chǎn)生羅盤(pán)航向時(shí)的誤差； F-傳遞函數(shù)； β2-β1-角度感應(yīng)器17’和17讀數(shù)的差異。
在n＞1的情況下，作用于陀螺的控制力增加，因而陀螺漂移對(duì)所產(chǎn)生參數(shù)的精度的影響降低。通過(guò)這種措施，載運(yùn)工具航向產(chǎn)生的精度充分增加。
利用角度值αdev.，絕對(duì)角速度的水平分量可由下述公式產(chǎn)生 達(dá)布三維坐標(biāo)架的絕對(duì)角速度的豎直分量可由下述公式產(chǎn)生 利用

rdev.和羅盤(pán)航向KGC的值，位置坐標(biāo)和λ以及載運(yùn)工具航向K被產(chǎn)生。為了解釋前面提到過(guò)的問(wèn)題，需要根據(jù)公式(1)使用陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的控制信號(hào)。
系統(tǒng)操作方程為 ΩE1＝ΩE1con. ΩN1＝ΩN1con. -ΩE2＝ΩE2con. -ΩN2＝ΩN2con 陀螺平臺(tái)和陀螺平臺(tái)模型的誤差方程如下所述，其中不允許絕對(duì)角速度r的豎直分量影響各個(gè)部件 其中


-陀螺擺產(chǎn)生水平面時(shí)的特征誤差。
通過(guò)這種方式， 其中Δα1、β1-一個(gè)陀螺平臺(tái)的誤差； Δα2、β2-另一個(gè)陀螺平臺(tái)的誤差； 根據(jù)方程(2)和(3)，在沒(méi)有坐標(biāo)


的彈道偏差(ballistic deviations)的情況下，陀螺平臺(tái)的自然頻率為nω0cosα；由于坐標(biāo)


-ω0cosα，陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的自然頻率不同于舒勒頻率ω0。這樣，差別程度取決于參數(shù)《n》。其中T為舒勒周期。根據(jù)方程(3)，作用于羅盤(pán)子午線(xiàn)的控制力增大nω0cosα，慣性系統(tǒng)模型方位問(wèn)題的解析解產(chǎn)生的載運(yùn)工具航向誤差減小(ncosα)2倍 圖3顯示了利用三軸常平架中的陀螺平臺(tái)進(jìn)行線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)的示意圖?？梢钥闯?，在這種情況下所產(chǎn)生的羅盤(pán)航向的誤差為
其中ω-地球角速度； -緯度。
廣義坐標(biāo)可觀測(cè)到。
圖4顯示了利用二軸常平架中的陀螺平臺(tái)進(jìn)行線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)的示意圖。電機(jī)20’由角度數(shù)據(jù)發(fā)送器17’的信號(hào)控制。可以看出，在這種情況下所產(chǎn)生的羅盤(pán)航向的誤差為 廣義坐標(biāo)

可觀測(cè)到。
具有積分校正以提供陀螺平臺(tái)水平穩(wěn)定性的慣性系統(tǒng)可以確定載運(yùn)工具羅盤(pán)航向值KGCis和絕對(duì)角速度

的水平分量值本身，而與達(dá)布三維坐標(biāo)架絕對(duì)角速度的水平分量無(wú)關(guān)。利用加速度計(jì)的讀數(shù)，慣性系統(tǒng)可以確定達(dá)布三維坐標(biāo)架E0N0ζ0的頂點(diǎn)加速度在其軸線(xiàn)ON0和OE0上的投影(rV)is和
前面提到的信息，與被考察的具有線(xiàn)性校正的慣性系統(tǒng)產(chǎn)生的相同名稱(chēng)的信息一起，可以用于控制前述兩種系統(tǒng)。
利用相同名稱(chēng)的信息的差異信號(hào)，可以提供具有不同平率特性的兩個(gè)系統(tǒng)的漸近式穩(wěn)定化(衰減)，以及估測(cè)它們的儀器誤差。在慣性系統(tǒng)的捷聯(lián)應(yīng)用中，可通過(guò)模擬解決前面提到的問(wèn)題。
引用文獻(xiàn)В.А.Беленький-俄國(guó)專(zhuān)利No.2000544А.В.Репников，Γ.П.Сачков，А.И.Черноморский-《Γироскопические системы》
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置的方法，包括
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力，其中，加速度計(jì)的靈敏軸連接著陀螺平臺(tái)；產(chǎn)生陀螺平臺(tái)控制信號(hào)；然后利用陀螺或絕對(duì)角速度傳感器指示所產(chǎn)生的信號(hào)，
或者
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力；測(cè)量來(lái)自陀螺或絕對(duì)角速度傳感器的信號(hào)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸沿著儀表三維坐標(biāo)架的軸線(xiàn)定向；借助于慣性系統(tǒng)的操作模擬獲得方位問(wèn)題的解析解；產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置，
-其中，在沒(méi)有彈道偏差時(shí)，在陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的自然周期與舒勒周期不同的條件下，產(chǎn)生陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的控制信號(hào)。
2.一種產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置的方法，包括
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力，其中，加速度計(jì)的靈敏軸連接著陀螺平臺(tái)；產(chǎn)生陀螺平臺(tái)控制信號(hào)；然后利用陀螺或絕對(duì)角速度傳感器指示所產(chǎn)生的信號(hào)，
或者
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力；測(cè)量來(lái)自陀螺或絕對(duì)角速度傳感器的信號(hào)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸沿著儀表三維坐標(biāo)架的軸線(xiàn)定向；借助于慣性系統(tǒng)的操作模擬獲得方位問(wèn)題的解析解；產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置，
-其中，利用慣性系統(tǒng)或它們的模型產(chǎn)生的同類(lèi)數(shù)據(jù)與各種自然周期之間的差異，提供每個(gè)慣性系統(tǒng)或每個(gè)慣性系統(tǒng)模型的漸近式穩(wěn)定化(自發(fā)衰減)。
3.一種產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置的方法，包括
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力，其中，加速度計(jì)的靈敏軸連接著陀螺平臺(tái)；產(chǎn)生陀螺平臺(tái)控制信號(hào)；然后利用陀螺或絕對(duì)角速度傳感器指示所產(chǎn)生的信號(hào)，
或者
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力；測(cè)量來(lái)自陀螺或絕對(duì)角速度傳感器的信號(hào)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸沿著儀表三維坐標(biāo)架的軸線(xiàn)定向；借助于慣性系統(tǒng)的操作模擬獲得方位問(wèn)題的解析解；產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置，
-其中，利用慣性系統(tǒng)或它們的模型產(chǎn)生的同類(lèi)數(shù)據(jù)與各種自然周期之間的差異，以不同的參數(shù)“n”，提供對(duì)儀器誤差的評(píng)估。
4.一種產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置的方法，包括
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力，其中，加速度計(jì)的靈敏軸連接著陀螺平臺(tái)；產(chǎn)生陀螺平臺(tái)控制信號(hào)；然后利用陀螺或絕對(duì)角速度傳感器指示所產(chǎn)生的信號(hào)，
或者
-利用加速度計(jì)測(cè)量特定的分力；測(cè)量來(lái)自陀螺或絕對(duì)角速度傳感器的信號(hào)，其中，加速度計(jì)的靈敏軸沿著儀表三維坐標(biāo)架的軸線(xiàn)定向；借助于慣性系統(tǒng)的操作模擬獲得方位問(wèn)題的解析解；產(chǎn)生導(dǎo)航參數(shù)和豎直位置，
-其中，通過(guò)增加對(duì)羅盤(pán)子午線(xiàn)的控制力來(lái)提高所產(chǎn)生的載運(yùn)工具航向的精度并降低系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及陀螺儀表工程，并且可以用于為海運(yùn)設(shè)備、航空設(shè)備和地面車(chē)輛等載運(yùn)工具的定位確定主導(dǎo)航參數(shù)。技術(shù)效果包括輸出參數(shù)的精度提高，包括顯著提高載運(yùn)工具航向的產(chǎn)生精度，以及明顯改進(jìn)輸出參數(shù)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)性能。為此，本發(fā)明的方法在沒(méi)有彈道偏差時(shí)，在自發(fā)地使陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的自然周期與舒勒周期不同的條件下，產(chǎn)生陀螺平臺(tái)或陀螺平臺(tái)模型的控制信號(hào)。
文檔編號(hào)G01C21/18GK101124456SQ200580048500
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月21日
發(fā)明者V·A·別列尼基 申請(qǐng)人:V·A·別列尼基