一種應對環境溫度突變的光纖慣導系統姿態測量方法與流程

本發明具體涉及一種應對光纖陀螺受環境溫度影響而造成漂移突變情況下的應對環境溫度突變的光纖慣導系統姿態測量方法。

技術背景

初始姿態的測量問題也屬于光纖慣導系統初始對準問題的一部分，初始對準是光纖慣導系統的主要技術之一，分為粗對準和精對準兩個階段，由于較高精度的初始姿態信息較難獲取，而初始姿態的誤差會使導航的位置誤差隨時間快速發散，嚴重影響導航系統的精度及性能，因此初始姿態的測量被作為研究慣導系統的重點和難點而受到廣大研究工作者的關注。

光纖慣導系統在實際應用時，初始對準的過程中會受到環境的影響，環境溫度的變化過大會對光纖陀螺的漂移產生影響，使其產生突變，若在對準過程中不考慮這種突變情況，就會影響初始對準的效果，從而影響初始姿態測量的精度。

在以往的測量初始姿態的方法中，例如專利申請號為201310396476.7，名稱為“一種動基座SINS大方位失準角條件下初始對準方法”的專利文件中公開的初始對準方法，在粗對準以后，通過建立慣導系統在大方位失準角情況下的非線性狀態方程以及觀測方程，利用容積卡爾曼濾波(CKF)算法估計出失準角，得到慣導系統的初始姿態矩陣，從而得到初始姿態角。該方法雖然運用了現代估計理論中的卡爾曼濾波方法，但是將陀螺漂移設定為常值，并沒有將陀螺漂移的變化情況考慮在內，這使得對準精度降低，因此，該方法并不適用于實際應用中的慣導系統。

再如在國防科技大學的題為捷聯慣導系統羅經對準方法研究的工學碩士學位論文中，主要研究了捷聯慣導系統的初始對準問題，基于慣導系統的誤差方程和羅經效應，綜合考慮系統的穩定性、對準的快速性和精確性等因素，給出四階羅經回路對準的原理圖，這篇論文同樣存在上述提到的問題，設計中將陀螺的漂移設置為常值，沒有將環境溫度變化因素考慮在內，整個對準過程中始終使用一種回路進行對準，實際應用中同樣不適用。

發明目的

本發明的目的在于提供一種應對光纖慣導系統陀螺漂移受溫度影響產生突變情況下的應對環境溫度突變的光纖慣導系統姿態測量方法。

本發明的目的是這樣實現的：

1、首先用GPS全球定位系統確定載體的初始緯度，根據光纖陀螺儀和加速度計的輸出信息，利用解析式粗對準法對靜基座條件下的光纖慣導系統進行粗對準，確定初步的捷聯矩陣T，完成粗對準過程；

2、光纖陀螺的光纖環上裝有溫度檢測裝置，可以在精對準過程中對環境溫度進行采樣，采樣頻率為每秒一次，從而可以實時監測環境溫度的梯度；

3、精對準過程開始，使用模式一(圖2)和模式二(圖3)即基于控制系統原理圖進行對準；

4、當環境溫度梯度即一秒內溫度變化(兩次采樣溫度數值之差)小于或等于1攝氏度時，使用模式一對準回路進行對準，圖2(1)所示的對準回路中，A_E為東向加速度計輸出，ε_N為北向陀螺漂移，g為標準重力加速度，φ_y為北向誤差角，S為拉氏變換的一個參數，k_f1、k_f3、k₁、k₁₃、μ均為參數；圖2(2)所示的對準回路中，A_N為北向加速度計輸出，ε_E為東向陀螺漂移，ε_U為天向陀螺漂移，φ_x為東向誤差角，φ_z為方位誤差角，g為標準重力加速度，ω_ie為地球自轉角速度，為載體所在的地理緯度，k_f2、k_f3、k₂、k₃、μ均為參數，參數值設置如下：

ξ＝0.5，ω_n＝0.0375；

k_f1＝k_f2＝k_f3＝2ξω_n

其中，ξ為系統的阻尼比，ω_n為無阻尼振蕩角頻率。

5、當環境溫度梯度大于1攝氏度時，將系統切換到模式二進行對準，圖3(1)所示回路中，m_f1、m₁為參數；圖3(2)所示回路中，m_f2、m₂為參數，參數值設置如下：

ξ＝0，ω_n＝0.0012

m_f1＝m_f2＝2ω_n

6、精對準結束，φ_x、φ_y、φ_z趨于穩態值，完成靜基座條件下的精對準過程，得到較為 精確的初始捷聯矩陣進而算出較為精確的三個姿態角。

本發明的有益效果在于：已發現使用此種方法進行對準，可以使三個誤差角快速的趨于穩定，得到較為精確的捷聯矩陣，提高了對準的精度。

本發明通過溫度檢測裝置測量光纖慣導系統對準環境的溫度變化梯度，將初始對準的精對準過程在模式一和模式二兩種方式下進行切換，可以保證系統快速、精確的完成對準任務，最終提高了初始姿態角的測量精度。

附圖說明

圖1是本發明的流程圖；

圖2是本發明的精對準模式一原理圖；

圖3是本發明的精對準模式二原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的說明

1、利用全球定位系統GPS確定載體的緯度信息

2、將光纖慣導系統預熱后采集靜基座條件下光纖陀螺的輸出與加速度計的輸出g^b，其中為地球自轉角速率在載體坐標系的投影，g^b為重力加速度在載體坐標系的投影；

3、根據加速度計輸出與重力加速度的關系和陀螺儀輸出與地球自轉角速率的關系確定粗對準后的捷聯矩陣T_粗

4、光纖陀螺的光纖環裝有溫度檢測裝置，利用該溫度檢測裝置實時測量精對準過程中的溫度梯度；

5、精對準過程開始，使用模式一(圖2)和模式二(圖3)兩種方式進行對準；

6、當環境溫度梯度即一秒內溫度(兩次采樣溫度數值之差)小于或等于1攝氏度時，使用模式一(圖2)對準回路進行對準，參數值設置如下

ξ＝0.5，ω_n＝0.0375

k_f1＝k_f2＝k_f3＝2ξω_n

其中，ξ為系統的阻尼比，ω_n為無阻尼振蕩角頻率，

g＝9.78049m/s²

ω_ie＝7.292×10^-5rad/s

7、當環境溫度梯度大于1攝氏度時，將系統切換到模式二(圖3)回路進行對準，參數值設置如下：

ξ＝0，ω_n＝0.0012

m_f1＝m_f2＝2ω_n

8、精對準結束，誤差角φ_x、φ_y、φ_z趨于穩態值，完成靜基座條件下的精對準過程；

9、初始對準過程結束，得到較為精確的初始捷聯矩陣

其中，T_i,j(i＝1,2,3；j＝1,2,3)為矩陣中的元素，

由此矩陣可以獲得三個姿態角(縱搖角、橫搖角、航向角)的主值

θ_主＝sin^-1(T₃₂)

進而獲得三個姿態角的真值

θ_真＝θ_主

從而完成了光纖陀螺受溫度影響而造成漂移突變情況下的姿態測量。