專利名稱：一種空中微小拋撒物運動參數測量方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及到微小拋撒物運動軌跡的測量領域，特指一種用于空中微小拋撒物運動的測量方法及系統。
背景技術：
從空中拋撒的很多微小拋撒物，其實時運動參數對于分析其飛行模式，優化拋撒物設計具有重要意義，因此獲取微小拋撒物的實時運動參數成為很多應用領域需要解決的一個基本問題。
采用傳統的慣性器件，如石英撓性加速度計、機械陀螺、光學陀螺等構成慣性測量單元，雖然精度可以滿足測量要求，但測量設備體積大，無法滿足拋撒物測量系統小體積、高沖擊的要求，而且慣性系統需要已知拋撒時刻的位置、速度和姿態(初始參數)才能正常工作，這對于拋撒物來說很難得到。
由于拋撒物飛行時間很短，單獨的衛星定位接收機很可能在捕獲跟蹤完成前拋撒物已經結束飛行，拋撒物體積小也使得多天線衛星定姿技術難以部署和使用，因此衛星定位技術也很難應用到拋撒物的測量。
如采用傳統的雷測、光測等外彈道測量方法在應用到拋撒物的飛行參數測量時，實施成本高、難度大、精度低，且通常只能得到拋撒物線運動參數，很難得到包括姿態運動的完整飛行參數。
通過試驗后統計各拋撒物落點的分布情況，也僅僅可以大概估計各拋撒物飛行是否正常，但無法作定量分析。
到目前為止，還沒有公開的有關測量設備和方法能夠對包括角運動信息的拋撒物飛行參數進行完整的高精度測量。
發明內容
本發明要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、原理簡單、測量精度高、可靠性好、抗干擾能力強的用于空中微小拋撒物運動的測量方法及系統。
為解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為
一種用于空中微小拋撒物運動的測量方法，其特征在于步驟為(1)、將由三軸微陀螺、三軸微加速度計和三軸微磁強計構成的微測量單元安裝于拋撒物中，測量并記錄拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內的傳感器數據；(2) 以拋撒物落地靜止后的位置作為相對的初始位置，采用三軸微磁強計和三軸微加速度計構成靜態數字羅盤，對拋撒物落地靜止后一段時間的傳感器數據進行計算，得到拋撒物落地靜止后的姿態，并計算三軸微陀螺的零偏；
(3) 、根據拋撒物飛行過程中記錄的三軸微陀螺和三軸微加速度計數據，采用逆時間慣性導航法得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。
作為本發明的進一步改進。
所述逆時間慣性導航法，是在得到靜止后運動參數的的基礎上，根據飛行階段的三軸微陀螺和三軸微加速度計的數據，進行逆時間慣性導航計算，得到拋撒物的運動參數；其具體步驟為
a. 確定實時姿態采用式(12)的四元數更新進行計算
其中，a表示？；時刻的姿態四元數，《+1為由三軸微陀螺測量值計算得到的從2;到2;+1時刻的旋轉四元數，'表示四元數的共軛，。表示四元數相乘；
b. 確定實時速度采用式(18)計算
\ = vfc+1 — (C: +1) a, + g+ (18)
其中K表示？；時刻的速度，<^(& + 1)為:7;+1時刻的方向余弦矩陣，a/(i^)為r^時刻
的三軸微加速度計的測量值，8"(& + 1)為2;+1時刻的重力矢量，Ai為采樣步長；
C.確定實時位置采用式(21)計算
H-H《 (21)
其中，p(3;)表示:z;時刻的位置向量。
本發明進一步提出一種用于空中微小拋撒物運動的測量系統，其特征在于，它包括微測量單元，由三軸微陀螺、三軸微加速度計、三軸微磁強計組成，所述三軸微陀螺、
三軸微加速度計、三軸微磁強計分別用來測量拋撒物的旋轉角速度、地球磁場矢量以及比力；
非易失存儲器，用于存儲拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內由微測量單元中各
傳感器測量得到的傳感器數據；
嵌入式處理器，包括數據處理單元，用于將讀取的傳感器數據寫到非易失存儲器中，并對數據進行計算；所述數據處理單元由數據讀取模塊、落地時間處理模塊、數據抽取與分段模塊、陀螺零偏計算模塊、陀螺誤差修正模塊、落地靜止運動參數計算模塊、逆時間慣性導航計算模塊組成，用來根據非易失存儲器中存儲的傳感器數據， 算得到拋撒物的運動參數；所述數據讀取模塊用來讀取非易失存儲器中的傳感器數據，所述落地時間處理模塊依據讀取的傳感器數據得到拋撒物的落地靜止時刻，所述數據抽取與分段模塊依據落地靜止時刻將傳感器數據分成飛行段和落地靜止段，所述陀螺零偏計算模塊和陀螺誤琴修正模塊用來處理數據得到陀螺零偏差并對陀螺數據進行修正，所述落地靜止運動參數計算模塊依據傳感器數據和落地靜止時刻得到拋撒物落地靜止后的位置、速度和姿態，所述逆時間慣性導航計算模塊根據上述模塊處理后的所有數據計算得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。與現有技術相比，本發明的優點就在于-
1) 本發明中微測量單元由三軸微磁強計、三軸微陀螺、三軸微加速度計組成，上述各傳感器具有體積小、功耗低、抗沖擊等優點，因此構成的微測量單元體積小，可以裝入拋撒物；
2) 本發明釆用逆時間慣性導航計算的方法，不需要已知拋撒物拋撒時刻的運動參數，就可以高精度地計算出拋撒物的位置、速度、加速度、姿態、角速度等完整的運動參數；
3) 本發明中的微測量單元所含各個部件成本低廉，通過在每個拋撒物中裝入一個，可以低成本地在一次試驗中對大量拋撒物進行測量；
4) 本發明用于空中微小拋撒物運動的測量方法及系統，具有體積小、成本低等優點，不但可測量完整的飛行參數(可同時獲得拋撒物的位置、速度、姿態、加速度、角速度信息)，而且不需要已知拋撒時刻的初始位置、速度和姿態信息，不受拋撒物飛行時間、拋撒及飛行高度的影響。
圖1是本發明測量方法的流程示意圖2是本發明微測量單元原理結構示意圖3是本發明具體實施例中測量方法的詳細流程示意圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖i所示，本發明用于空中微小拋撒物運動的測量方法，其步驟為
(1) 、將由三軸微陀螺、三軸微加速度計和三軸微磁強計構成的微測量單元安裝于拋撒物中，測量并記錄拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內的傳感器數據；
(2) 、以拋撒物落地靜止后的位置作為相對的初始位置，采用三軸微磁強計和三軸微加速度計構成靜態數字羅盤，對拋撒物落地靜止后一段時間的傳感器數據進行計算，得到拋撒物落地靜止后的姿態，并計算三軸微陀螺的零偏；
(3) 、根據拋撒物飛行過程中記錄的三軸微陀螺和三軸微加速度計數據，采用逆時間慣性導航法得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。
如圖2所示，本發明用于空中微小拋撒物運動的測量系統包括微測量單元、非易失存儲器以及嵌入式處理器。微測量單元，由三軸微陀螺、三軸微加速度計、三軸微磁強計組成，所述三軸微陀螺、三軸微加速度計、三軸微磁強計分別用來測量拋撒物的旋轉角速度、地球磁場矢量以及比力；三軸微陀螺、三軸微加速度計以及三軸微磁強計測量得到的傳感器信息通過數字通信總線(如SPI或RS232等)與嵌入式處理器連接，發送給嵌入式處理器。嵌入式處理器接收傳感器發送的測量數據，將其記錄到非易失存儲器上。非易失存儲器(例如CF卡)，用于存儲拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內由微測量單元中各傳感器測量得到的傳感器數據；嵌入式處理器，包括數據處理單元，用于將讀取的傳感器數據寫到非易失存儲器中，并對數據進行計算；所述數據處理單元由數據讀取模塊、落地時間處理模塊、數據抽取與分段模塊、陀螺零偏計算模塊、陀螺誤差修正模塊、落地靜止運動參數計算模塊、逆時間慣性導航計算模塊組成，用來根據非易失存儲器中存儲的傳感器數據，計算得到拋撒物的運動參數；所述數據讀取模塊用來讀取非易失存儲器中的傳感器數據，所述落地時間處理模塊依據讀取的傳感器數據得到拋撒物的落地靜止時刻，所述數據抽取與分段模塊依據落地靜止時刻將傳感器數據分成飛行段和落地靜止段，所述陀螺零偏計算模塊和陀螺誤差修正模塊用來處理數據得到陀螺零偏差并對陀螺數據進行修正，所述落地靜止運動參數計算模塊依據傳感器數據和落地靜止時刻得到拋撒物落地靜止后的位置、速度和姿態，所述逆時間慣性導航計算模塊根據上述模塊處理后的所有數據計算得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。
其中三軸微陀螺是現有公知產品，用以測量載體相對于慣性坐標系的旋轉角速度。三軸微加速度計是現有公知產品，用以測量載體的比力。三軸微磁強計是現有公知產品，它采用三軸正交安裝的磁傳感器測量地球磁場分量。
數據處理單元由數據讀取模塊；落地時間處理模塊；數據抽取與分段模塊；陀螺零偏計算模塊；陀螺誤差修正模塊；落地靜止運動參數計算模塊；逆時間慣性導航計算模塊組成。如圖3所示，在具體實施例中，其流程是
1.數據讀取模塊讀取非易失存儲器中記錄的傳感器數據。傳感器數據包括
三軸微陀螺數據G(rfc) fc二0，li,…,iV;
三軸微加速度計A(i;) A;^0,、,…,iV;三軸微磁強計數據 M(rA)A; = 0,lir..,iV ;
這里G(i;)表示:z;時刻三軸微陀螺測量得到的拋撒物相對慣性系的旋轉角速度矢量，表示rfc時刻三軸微加速度計測量得到的比力矢量，表示rfc時刻三軸微磁強計測量得到的地磁矢量。其中i;表示第&個采樣時刻，且有i]-r。 +厶力.i， A力為采樣步長。上標r表示轉置。
2. 落地時間處理模塊計算落地靜止時刻(r,)。拋撒物落地靜止后，加速度計輸出為當
地重力值。根據加速度計的誤差特性，計算落地靜止時刻，具體計算如下
M(i;) = (r。 i (i) 這里，ff。為當地重力值，6A( ;)為:z;時刻加速度計測量得到的重力加速度與當地重力的 差。如果有r,，使得對于所有的2;2:z;，滿足6A(i;)〈^則r,為落地靜止時刻。^為根
據加速度計誤差特性選擇的閾值。
3. 數據抽取與分段模塊。根據落地靜止時刻(r,)，將三軸微陀螺、三軸微加速度計、
三軸微磁強計數據分為獨立飛行、落地靜止2個部分，分段后的數據表示為
'g,(t;) A;-0,…,J (飛行段) Gjrj & = J...，iV (落地靜止段
-A,(r) & = o，...，j (飛行段)
A。(!Z;) A;二J…,iV (落地靜止段)
M,(r) & = 0，. ，</ (飛行段) Ma(rj & = ,..,iv (落地靜止段)
4. 陀螺零偏計算模塊根據落地靜止段的陀螺數據，計算出陀螺的零偏。由于MEMS陀 螺精度低，零偏遠大于地球自轉角速度，另一方面，拋撒物獨立飛行段時間短，忽略地球自 轉對姿態的影響，則落地靜止后陀螺的理論輸出為零，按下式可以計算得到陀螺零偏Ee:
1 '—
g(i;)
(2)
(3)
(4)
(5)
5. 陀螺誤差修正模塊根據計算的陀螺零偏Ee，按下式校正飛行段內的陀螺數據，進一 步提高陀螺的精度
= G,(i;)-EehO,…,J (6)
6. 落地靜止運動參數計算模塊計算拋撒物落地靜止后的位置、速度和姿態。取參考坐標 系(n—系)為以拋撒物落地靜止后的位置為坐標原點，坐標方向分別取北東地的地球坐標
系，則拋撒物落地靜止時刻的位置p(r,)為
拋撒物落地靜止后的速度v (r,)為
0 0 0
(7)<formula>formula see original document page 9</formula>
(8)
根據靜止的三軸微加速度計和三軸微磁強計數據計算落地靜止后的姿態。其計算流程是:
1)計算落地靜止后加速度計的均值X，艮P:
A
(9)
2)計算落地靜止后磁強計的均值M，即:
(10)
3)根據慣性導航系統靜基座對準原理，靜止時刻拋撒物體坐標系和參考坐標系之間的方
向余弦矩陣C^通過式(11)計算
<formula>formula see original document page 9</formula>這里，g"為當地重力矢量在參考坐標系中的投影；m"為當地地球磁場矢量在參考坐標 系中的投影。ui"和g"均為已知量。
7.逆時間慣性導航計算模塊在已知上述落地靜止時刻運動參數的基礎上，使用飛行段的 三軸微陀螺和三軸微加速度計數據，計算得到拋撒物獨立飛行段的飛行參數，包括位置、速 度和姿態信息。逆時間慣性導航模塊的流程是
1)計算拋撒物相對參考坐標系的姿態
參考坐標系與體坐標系之間的四元數描述的離散形式有
q(3i+1) = q(:z;)。r(2;) (12) 其中，q^表示i;時刻的姿態四元數，《+1為由三軸微陀螺測量值計算得到的從2;到2;+1 時刻的旋轉四元數，*表示四元數的共軛，。表示四元數乘法運算。
對于拋撒物姿態四元數計算，由于拋撒物飛行時間短，因此可以忽略地球自轉以及相對 于地球的運動對姿態的影響，寫成逆時間計算的形式，則有
<formula>formula see original document page 9</formula>這里，s(rfc+1)為根據零偏修正后的飛行段三軸微陀螺測量值計算得到的旋轉矢量，
"t ;+。為計算得到的旋轉矢量的大小。
2) 計算拋撒物速度。
由于拋撒物飛行時間短，忽略哥氏加速度的影響，從而拋撒物的速度寫成離散形式有(采 用三角積分)
v(rfc+1) = v(: ;) + (q (rfc)f6 (:z;) + g" (i;))a力 (n) 這里v(r。表示3;時刻的速度，(:z;)表示:z;時刻拋撒物體坐標系和參考坐標系之間的 方向余弦矩陣，g"(i;)表示:z;時刻當地重力矢量在參考坐標系中的投影，P(:z;)為:z;時刻的 比力測量值。
對于拋撒物，飛行段的三軸微加速度計輸出的比力測量值為a,(i;)，因此寫成逆時間計 算的形式有
v(rj = v(rfc+1) —a, + g (21+1))厶《 (is) 這里，四元數與方向余弦矩陣的關系為
《02 + &2 -《 一 《2 (《1《2 +線) 2 (眺 一 鏈)
CI! = 2 (艦 - 線) &2 -《+《-《 2 (秘+縫) (19) 2 (她+線) 2 (秘3 -賊) 化2 - &2 -《+《
這里化,&，&，&分別為四元數的四個分量。
3) 計算拋撒物的位置。拋撒物位置計算采用數值積分有
p(i;+1) = p(:z;) + v(:7;)*Af (20)
寫成逆時間形式有
P(21) = P(rfc+1)-v(7;+1)*" (21) 這里，p( ;)表示7;時刻的位置向量。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡 屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通 技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本 發明的保護范圍。
權利要求
1、一種用于空中微小拋撒物運動的測量方法，其特征在于步驟為(1)、將由三軸微陀螺、三軸微加速度計和三軸微磁強計構成的微測量單元安裝于拋撒物中，測量并記錄拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內的傳感器數據；(2)、以拋撒物落地靜止后的位置作為相對的初始位置，采用三軸微磁強計和三軸微加速度計構成靜態數字羅盤，對拋撒物落地靜止后一段時間的傳感器數據進行計算，得到拋撒物落地靜止后的姿態，并計算三軸微陀螺的零偏；(3)、根據拋撒物飛行過程中記錄的三軸微陀螺和三軸微加速度計數據，采用逆時間慣性導航法得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。
2、 根據權利要求1所述的用于空中微小拋撒物運動的測量方法，其特征在于所述逆時間 慣性導航法，是在得到靜止后運動參數的的基礎上，根據飛行階段的三軸微陀螺和三軸微加 速度計的數據，進行逆時間慣性導航計算，得到拋撒物的運動參數；其具體步驟為a. 確定實時姿態釆用式(12)的四元數更新進行計算其中，q^表示:z;時刻的姿態四元數，《+1為由三軸微陀螺測量值計算得到的從:1;到:7;+1時刻的旋轉四元數，*表示四元數的共軛，。表示四元數相乘；b. 確定實時速度采用式(18)計算Vfc = VA+1 - (C: +1) A,+ g"+ 1》A《 (18)其中R表示7;時刻的速度，<^& + ;0為2;+1時刻的方向余弦矩陣，A,( ;+。為:z^時刻的三軸微加速度計的測量值，g"(A; + l)為r^時刻的重力矢量，A纟為采樣步長；C.確定實時位置采用式(21)計算HH力 (21)其中，p(r。表示:z;時刻的位置向量。
3、 一種用于空中微小拋撒物運動的測量系統，其特征在于，它包括 微測量單元，由三軸微陀螺、三軸微加速度計、三軸微磁強計組成，所述三軸微陀螺、三軸微加速度計、三軸微磁強計分別用來測量拋撒物的旋轉角速度、地球磁場矢量以及比力；非易失存儲器，用于存儲拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內由微測量單元中各 傳感器測量得到的傳感器數據；嵌入式處理器，包括數據處理單元，用于將讀取的傳感器數據寫到非易失存儲器中，并對數據進行計算；所述數據處理單元由數據讀取模塊、落地時間處理模塊、數據抽取與分段模塊、陀螺零偏計算模塊、陀螺誤差修正模塊、落地靜止運動參數計算模塊、逆時間慣性導 航計算模塊組成，用來根據非易失存儲器中存儲的傳感器數據，計算得到拋撒物的運動參數; 所述數據讀取模塊用來讀取非易失存儲器中的傳感器數據，所述落地時間處理模塊依據讀取 的傳感器數據得到拋撒物的落地靜止時刻，所述數據抽取與分段模塊依據落地靜止時刻將傳 感器數據分成飛行段和落地靜止段，所述陀螺零偏計算模塊和陀螺誤差修正模塊用來處理數 據得到陀螺零偏差并對陀螺數據進行修正，所述落地靜止運動參數計算模塊依據傳感器數據 和落地靜止時刻得到拋撒物落地靜止后的位置、速度和姿態，所述逆時間慣性導航計算模塊 根據上述模塊處理后的所有數據計算得到拋撒物在整個飛行過程中的各種實時運動參數。
全文摘要
一種用于空中微小拋撒物運動的測量方法及系統，其步驟為(1)將由三軸微陀螺、三軸微加速度計和三軸微磁強計構成的微測量單元安裝于拋撒物中，測量并記錄拋撒物從拋撒時刻到落地靜止后一段時間內的傳感器數據；(2)以拋撒物落地靜止后的位置作為相對的初始位置，對拋撒物落地靜止后一段時間的傳感器數據進行計算，得到拋撒物落地靜止后的姿態和三軸微陀螺的零偏；(3)以拋撒物飛行過程中記錄的三軸微陀螺和三軸微加速度計數據，用逆時間慣性導航法得到拋撒物在整個飛行過程中的實時運動參數。測量系統包括微測量單元、非易失存儲器以及嵌入式處理器。本發明具有結構簡單緊湊、原理簡單、測量精度高、可靠性好、抗干擾能力強等優點。
文檔編號G01C21/18GK101644579SQ20091004412
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月17日 優先權日2009年8月17日
發明者吳文啟, 吳美平, 曹聚亮, 濤 李, 練軍想, 兵 羅, 齊振恒 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學