一種采用陀螺冗余斜交配置方式測量高速旋轉體姿態和角速度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于慣性導航的領域，具體涉及采用陀螺冗余斜交配置方式測量高速旋轉 體姿態和角速度的方法。
【背景技術】
[0002] 高速旋轉體的姿態和角速度測量一直是一個難點，如旋轉彈的滾轉角速率可高達 20圈/秒（約7200度/秒），而普通的陀螺，其角速度測量范圍一般僅為幾百度每秒，存在 較大的差距。盡管目前有些特殊的激光陀螺、光纖陀螺或微機械陀螺具有大量程，但大量程 通常導致陀螺的分辨率降低、線性度和可靠性較差，重量或體積增加。
[0003] 用加速度計代替陀螺的無陀螺測量方式需要較大的桿臂長度，安裝難度較大，特 別在被測物體體積較小時更明顯。
[0004] 根據公開的文獻資料顯示，某些高速度旋轉的火箭彈，在慣性測量組件（包含陀 螺和加速度計等）上加裝伺服電機，運行過程中與旋轉方向相反，達到減少旋轉（即減旋） 的影響。這種主動減旋方式直接有效，但在實際使用過程中，缺點也很明顯：（1)增加了一 個伺服電機環節，降低了整個系統的可靠性；（2)由于旋轉速度較大，控制難度大，如果控 制不當，會起到反作用；（3)導航系統的體積、重量相應地增大，影響彈的射程。
[0005]傳統的其它導航方式，如地磁導航、天文導航、GPS導航等方式存在實時性差、抗干 擾能力弱等問題，無法實現對旋轉載體實時、高速、精確的角速度和姿態測量，這使得后續 的制導過程變得十分困難，因此研制能準確、有效測量高速旋轉體的角速度和姿態的方法 迫在眉睫。
[0006] 本發明采用陀螺冗余斜交配置的方式，解決高速旋轉體的角速度和姿態測量難 題。使用斜置陀螺測量高速旋轉角的角速度，積分得到姿態角。通常，陀螺按三軸正交方式 安裝，構成一個完整的右手坐標系，冗余斜交配置是指在正交三軸陀螺之外，斜置一個或多 個陀螺測量旋轉角速度。這種冗余方式使用多個器件對同一個角速度冗余測量，從而提高 測量精度和系統可靠性。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種提高了導航系統在自旋方向上的測量范圍和可靠性 的采用陀螺冗余斜交配置方式測量高速旋轉體姿態和角速度的方法。
[0008]本發明的目的是這樣實現的：
[0009] (1)利用GPS確定載體的初始位置參數；
[0010] (2)采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據：
[0011] (3)根據GPS確定的經煒度值計算出對準點的重力擾動值，對加速度計的輸出進 行補償；
[0012] (4)采用解析法來完成系統的粗對準，初步確定載體的姿態信息O);
[0013] (5)粗對準結束后建立捷聯慣性導航系統初始對準非線性狀態誤差方程；
[0014] (6)利用UKF濾波方法進行濾波；
[0015] (7)利用估計出來的平臺失準角修正系統的捷聯初始矩陣^(0)，得到精確的初 始捷聯矩陣G(〇)，即G(〇) = Cf (0)，完成高精度的初始對準。
[0016] 本發明的有益效果在于：
[0017] 本發明解決了高速旋轉體滾轉角測量中陀螺量程的問題。只需要在斜置方向上測 量一個比較小的角速度，就能推算出較大的旋轉角速度。同時，采用斜置陀螺不加入其它控 制方式，從而不會引入新誤差，解算簡單，價格低廉。
【附圖說明】
[0018] 圖1為采用陀螺冗余邪教方式測量高速旋轉體角速度及姿態流程圖。
[0019] 圖2為滾轉角測量陀螺冗余配置圖。
[0020] 圖3為高速旋轉體滾轉角冗余測量原理圖。
[0021] 圖4為系統在高速旋轉體上的軸向配置示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0023] 針對高速旋轉載體的飛行角速度和姿態測量，采用普通的陀螺，設計一種斜交冗 余配置方式，擴充陀螺的測量范圍，。
[0024] 技術方案
[0025] 本發明的技術方案分系統布置，旋轉體載體系角速度解算，旋轉體姿態角解算三 個步驟，流程圖如圖1。
[0026] 系統布置：
[0027] 如圖2所示，用4枚放置于xoy平面和xoz平面內且與x軸成0角的斜置陀螺完 成滾轉角的測量。斜置陀螺與X軸的夾角0由x軸最大角速度所需陀螺量程 以及所用陀螺的量程FS g決定：
[0028] FSg^ ? xmaxcos 0 +?ymaxsin 0
[0029] 確定0角后，可進一步確定測量矩陣H
[0030]
【主權項】
1. 一種采用陀螺冗余斜交配置方式測量高速旋轉體姿態和角速度的方法，其特征在 于： (1) 利用GPS確定載體的初始位置參數； (2) 采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據： (3) 根據GPS確定的經煒度值計算出對準點的重力擾動值，對加速度計的輸出進行補 償； (4) 采用解析法來完成系統的粗對準，初步確定載體的姿態信息q'(〇); (5) 粗對準結束后建立捷聯慣性導航系統初始對準非線性狀態誤差方程； (6) 利用UKF濾波方法進行濾波； (7) 利用估計出來的平臺失準角修正系統的捷聯初始矩陣<^'(〇)，得到精確的初始捷 聯矩陣<^(0)，即C了(0) =C:〉q'(o)，完成高精度的初始對準。
【專利摘要】本發明屬于慣性導航的領域，具體涉及采用陀螺冗余斜交配置方式測量高速旋轉體姿態和角速度的方法。本發明包括：利用GPS確定載體的初始位置參數；采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據：根據GPS確定的經緯度值計算出對準點的重力擾動值，對加速度計的輸出進行補償；采用解析法來完成系統的粗對準，初步確定載體的姿態信息；粗對準結束后建立捷聯慣性導航系統初始對準非線性狀態誤差方程；利用UKF濾波方法進行濾波；利用估計出來的平臺失準角修正系統的捷聯初始矩陣，得到精確的初始捷聯矩陣，完成高精度的初始對準。本發明采用斜置陀螺不加入其它控制方式，從而不會引入新誤差，解算簡單，價格低廉。
【IPC分類】G01C19-00, G01C21-16
【公開號】CN104697521
【申請號】CN201510109639
【發明人】何昆鵬, 張琳, 部紹清, 黎守軍, 龍耀, 許德新, 高延濱, 曾建輝, 胡文彬
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月13日