專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)實現(xiàn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用慣性傳感器(光纖陀螺儀和加速度計)實現(xiàn)對載體航向和姿態(tài)的測量技術(shù)，并能夠在高緯度地區(qū)給載體提供航向，屬于導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)技術(shù)早期應(yīng)用于靜電陀螺系統(tǒng)，對保持靜電陀螺長時間工作的精度十分有效。自從光學(xué)陀螺出現(xiàn)以后，利用旋轉(zhuǎn)調(diào)制消除陀螺常值漂移對導(dǎo)航計算結(jié)果的影響，大大提高了系統(tǒng)長時間導(dǎo)航精度。目前，國內(nèi)外主要將旋轉(zhuǎn)式機構(gòu)應(yīng)用到激光慣導(dǎo)系統(tǒng)中去。Sperry公司的WSN-7B系統(tǒng)為目前應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。隨著光纖陀螺技術(shù)的迅速發(fā)展，捷聯(lián)光纖羅經(jīng)已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。與傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)相比，捷聯(lián)光纖羅經(jīng)具有全固態(tài)、體積小、啟動快、可靠性高等優(yōu)點。LITEF公司的LFK-95型光纖捷聯(lián)羅經(jīng)的對準(zhǔn)時間30min，航向精度為O. 7° secL，水平精度為0.5°，法國IXSEA公司的OCTANS光纖捷聯(lián)羅經(jīng)能夠在5min內(nèi)完成對準(zhǔn)，航向精度達(dá)到O. 1° 86(^，水平精度優(yōu)于0.01。(RMS)。因此，將旋轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用到捷聯(lián)光纖羅經(jīng)系統(tǒng)中，為船舶提供高精度的航向和姿態(tài)信息，具有十分重要的意義。目前也有部分與本發(fā)明有關(guān)的研究報告，I、例如專利申請?zhí)枮?00910044759.9，名稱為“基于激光陀螺的高精度單軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測量系統(tǒng)”。2、旋轉(zhuǎn)式光學(xué)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方案設(shè)計，中國慣性技術(shù)學(xué)報，2009，17 (I)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對光纖陀螺的常值漂移會隨著時間發(fā)生改變，提出一種采用旋轉(zhuǎn)來抑制 陀螺常值漂移對導(dǎo)航解算精度影響的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)實現(xiàn)的方法，該方法投入成本較低，但可以大幅提高光纖捷聯(lián)羅經(jīng)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的在低緯度使用的修正狀態(tài)算法包括以下步驟步驟I定乂坐標(biāo)系導(dǎo)航坐標(biāo)系η系以載體質(zhì)心為原點，xn、yn、zn分別指向所在地的東、北、天，地球坐標(biāo)系e系以地心為原點，Xe軸穿越本初子午線與赤道的交點，Ye軸穿越東經(jīng)90°子午線與赤道的交點，Ze軸穿越地球北極點，載體坐標(biāo)系b系以載體中心為原點，Xb軸沿橫軸指向右，Yb軸沿縱軸指向前，Zb軸垂直載體指向上,旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系P系以旋轉(zhuǎn)臺面的中心為原點，Zp軸沿轉(zhuǎn)軸指向上，Xp軸和yp軸位于旋轉(zhuǎn)臺面內(nèi)，并和臺面一起旋轉(zhuǎn)，三個坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系i系以地心為原點，Xi軸指向春分點，Zi軸沿地球自轉(zhuǎn)軸，Yi軸與Xi、Zi軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，游離坐標(biāo)系Te系，水平軸乂和相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的東向軸和北向軸存在游離方位角af，經(jīng)線地球坐標(biāo)系e(l系以地球中心為原點，并與地球同步旋轉(zhuǎn)，戈、八軸在地球赤道平面內(nèi)軸指向載體所在點經(jīng)線，夂軸指向地球自轉(zhuǎn)軸方向，經(jīng)線地心慣性坐標(biāo)系L系定義為在粗對準(zhǔn)起始時刻將經(jīng)線地球坐標(biāo)系慣性凝固成的右手坐標(biāo)系，載體慣性坐標(biāo)系ib(1系定義為在粗對準(zhǔn)起始時刻將載體坐標(biāo)系慣性凝固后的坐標(biāo)系，計算導(dǎo)航坐標(biāo)系C系定義為計算機輸出結(jié)果確定的導(dǎo)航坐標(biāo)系，步驟2根據(jù)三只光纖陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)與〗，三只石英加速度計的輸出數(shù)據(jù)fp，以及地球自轉(zhuǎn)角速率ω吣重力加速度g、載體所在地的緯度L，應(yīng)用基于慣性系重力矢量的解析對準(zhǔn)算法計算導(dǎo)航坐標(biāo)系η系與載體坐標(biāo)系b系之間的轉(zhuǎn)移矩陣
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法，包括在低緯度使用的修正狀態(tài)算法和高緯度使用的方位儀狀態(tài)算法，所述的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)由包含3只光纖陀螺和3只石英撓性加速度計的慣性測量裝置A和單軸機械轉(zhuǎn)臺B兩大部分組成，采用標(biāo)準(zhǔn)緊固螺釘將慣性測量裝置A固定在單軸機械轉(zhuǎn)臺B上，其特征在于， 在低緯度使用的修正狀態(tài)算法包括以下步驟 步驟I定義坐標(biāo)系導(dǎo)航坐標(biāo)系η系以載體質(zhì)心為原點，xn、yn、zn分別指向所在地的東、北、天，地球坐標(biāo)系e系以地心為原點，Xe軸穿越本初子午線與赤道的交點，軸穿越東經(jīng)90°子午線與赤道的交點，Ze軸穿越地球北極點，載體坐標(biāo)系b系以載體中心為原點，Xb軸沿橫軸指向右，Yb軸沿縱軸指向前，zb軸垂直載體指向上，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系P系以旋轉(zhuǎn)臺面的 中心為原點，zp軸沿轉(zhuǎn)軸指向上，xp軸和yp軸位于旋轉(zhuǎn)臺面內(nèi)，并和臺面一起旋轉(zhuǎn)，三個坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系i系以地心為原點，Xi軸指向春分點，Zi軸沿地球自轉(zhuǎn)軸，Yi軸與Xi、Zi軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，游離坐標(biāo)系Te系，水平軸^和相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的東向軸和北向軸存在游離方位角a f，經(jīng)線地球坐標(biāo)系％系以地球中心為原點，并與地球同步旋轉(zhuǎn)，氣、^軸在地球赤道平面內(nèi)，軸指向載體所在點經(jīng)線, 軸指向地球自轉(zhuǎn)軸方向，經(jīng)線地心慣性坐標(biāo)系L系定義為在粗對準(zhǔn)起始時刻將經(jīng)線地球坐標(biāo)系慣性凝固成的右手坐標(biāo)系，載體慣性坐標(biāo)系ib。系定乂為在粗對準(zhǔn)起始時刻將載體坐標(biāo)系慣性凝固后的坐標(biāo)系，計算導(dǎo)航坐標(biāo)系c系定義為計算機輸出結(jié)果確定的導(dǎo)航坐標(biāo)系， 步驟2根據(jù)三只光纖陀螺儀的輸出數(shù)扎〃三只石英加速度計的輸出數(shù)據(jù)fp，以及地球自轉(zhuǎn)角速率ω吣重力加速度g、載體所在地的緯度L，應(yīng)用基于慣性系重力矢量的解析對準(zhǔn)算法計算導(dǎo)航坐標(biāo)系η系與載體坐標(biāo)系b系之間的轉(zhuǎn)移矩陣完成光纖捷聯(lián)羅經(jīng)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)，所述應(yīng)用基于慣性系重力矢量的解析對準(zhǔn)算法完成光纖捷聯(lián)羅經(jīng)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)的過程如下 步驟2. I計算導(dǎo)航坐標(biāo)系η系與經(jīng)線地球坐標(biāo)系e(l系之間的轉(zhuǎn)移矩陣O
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法，其特征在于 所述步驟4中載體坐標(biāo)系b系相對于計算導(dǎo)航坐標(biāo)系c系的姿態(tài)變換矩陣('(幻具體解算過程包括 步驟4. I根據(jù)k時刻獲取的三只光纖陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)<和三個加速度計的輸出數(shù)據(jù)fP，用四元數(shù)法對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系P系相對于計算導(dǎo)航坐標(biāo)系c系的姿態(tài)變換矩陣C〗(幻進(jìn)行更新
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法，其特征在于所述步驟5中姿態(tài)校正的計算過程包括 建立以東向失準(zhǔn)角、北向失準(zhǔn)角Φη、天向失準(zhǔn)角為狀態(tài)，以東向比力信息fe和北向比力信息fn為量測的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)系統(tǒng)卡爾曼濾波模型， 系統(tǒng)狀態(tài)向量為X= [Φ6, Φη. Φ」τ，系統(tǒng)矩陣F為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟8中載體的航機角Ψτ)3的提取過程如下 步驟8. I根據(jù)r時刻獲取的三只光纖陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)<以及游離方位角af，通過四元數(shù)法對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系P系相對于游離坐標(biāo)系Te系的姿態(tài)變換矩陣( (〃)進(jìn)行更新
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟9中方向余弦計算過程包括 設(shè)
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)的實現(xiàn)方法。步驟包括定義坐標(biāo)系，根據(jù)系統(tǒng)采集的光纖陀螺和石英加速度計數(shù)據(jù)等信息，完成旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)，確定初始姿態(tài)矩陣；按照設(shè)定的單軸旋轉(zhuǎn)方案進(jìn)行間斷型往返轉(zhuǎn)動，利用四元數(shù)微分方程完成姿態(tài)更新；同時根據(jù)外界提供的信息完成航向修正。在方位儀狀態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)抑制陀螺常值漂移造成的導(dǎo)航誤差，在高緯度地區(qū)更好地跟蹤載體航向。
文檔編號G01C21/16GK102829781SQ20121031255
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者程向紅, 邵劉軍, 周本川, 衡敏, 王曉飛 申請人:東南大學(xué)