專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量方法，尤其涉及的是一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的陀螺羅經(jīng)是最古老的以一高速旋轉(zhuǎn)的陀螺為基礎(chǔ)系統(tǒng)，能使它的角力矩方向與地球旋轉(zhuǎn)的角力矩方向一致，就像一個(gè)磁羅盤(pán)的磁力矩與地磁場(chǎng)方向保持一致那樣來(lái)確定地理北向相關(guān)的方位。從二十世紀(jì)二十年代起，這種陀螺羅經(jīng)就一直應(yīng)用于各類(lèi)艦船上，這些艦船需要零點(diǎn)幾度的航向精度并能避免磁場(chǎng)干擾。在過(guò)去六十年左右的時(shí) 里，這種技術(shù)在基本的原理上沒(méi)有任何變化，同時(shí)在使用中它還需要非常細(xì)致的維護(hù)，且提供的可靠性也有限。陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)必須能承受隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響，即無(wú)論載體如何運(yùn)動(dòng)，陀螺羅經(jīng)必須保持對(duì)外界運(yùn)動(dòng)相對(duì)不敏感，而且這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)可能是很劇烈的，如船的翻滾、搖擺、波浪的涌動(dòng)等。所以考慮實(shí)際的惡劣運(yùn)動(dòng)環(huán)境，我們可清楚的知道由于有翻滾、搖擺等運(yùn)動(dòng)的存在，陀螺所測(cè)量的地球轉(zhuǎn)速受到非常大的轉(zhuǎn)動(dòng)量的干擾；其次，受波浪涌動(dòng)、載體加減速等機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)測(cè)量的重力加速度受到離心加速度和牽連加速度的干擾，且離心加速度被證明是相當(dāng)高的。傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)直接利用與陀螺框架有關(guān)的地球轉(zhuǎn)動(dòng)速率的測(cè)量，這種做法沒(méi)什么特別優(yōu)勢(shì)，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，不符合光纖捷聯(lián)羅經(jīng)系統(tǒng)的要求。光纖陀螺儀以其動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、啟動(dòng)快和系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)在慣性器件領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用。光纖陀螺儀可在任何設(shè)定的瞬時(shí)，測(cè)量出運(yùn)動(dòng)物體的旋轉(zhuǎn)角速度，加速度計(jì)測(cè)量出載體的重力視加速度和其它加速度的總和。這些測(cè)量信息都與運(yùn)動(dòng)物體自身的參考坐標(biāo)系有關(guān)的，運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)于慣性空間的角姿態(tài)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)角速度的積分可計(jì)算出來(lái)。如果將載體的離心加速度和牽連加速度等剔除掉，那么在慣性坐標(biāo)系內(nèi)就能觀察到由于地球旋轉(zhuǎn)引起的重力視加速度的緩慢漂移。如果在慣性坐標(biāo)系中觀察重力加速度，那么其運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成一個(gè)圓錐面，該圓錐體主軸是地球的旋轉(zhuǎn)軸。因此若取重力加速度在慣性坐標(biāo)系的投影，則其投影分量就能包含地球自轉(zhuǎn)角速度信息，所以只需要分析重力加速度的運(yùn)動(dòng)便能確定地理北向信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種利用數(shù)字低通濾波器求取慣性坐標(biāo)系下的重力加速度信息，由重力加速度在慣性系內(nèi)進(jìn)行投影獲取載體相對(duì)地球表面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載體姿態(tài)信息實(shí)時(shí)獲取的新方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法，其特征在于載體處于機(jī)動(dòng)環(huán)境下，加速度計(jì)輸出中包含著大量的干擾加速度，通過(guò)利用數(shù)字低通濾波器濾除載體干擾加速度后，在慣性坐標(biāo)系內(nèi)就能觀察到由于地球旋轉(zhuǎn)引起的重力視加速度的緩慢漂移，通過(guò)分析重力加速度的運(yùn)動(dòng)便能確定地理北向信息，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)載體姿態(tài)信息的獲取，同時(shí)避免了傳統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)求取的姿態(tài)信息中包含舒勒周期震蕩和傅科周期震蕩誤差對(duì)姿態(tài)精度的影響。其具體步驟如下(I)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中；(2)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)；(3)對(duì)采集到的光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；(4)將三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量的載體加速度轉(zhuǎn)換到慣性系上得到加速度~f :
權(quán)利要求
1.一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法，其特征在于包括以下步驟 (1)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中； (2)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)； (3)對(duì)采集到的光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； (4)將三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量的載體加速度轉(zhuǎn)換到慣性系上得到加速度~r:P=CJb 其中，C〗表示載體坐標(biāo)系向慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)陀螺儀的輸出，利用四元數(shù)法對(duì)矩陣q進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，為下一周期的運(yùn)算提供參數(shù)；中包含兩部分重力加速度g和其他加速度(有害加速度和機(jī)動(dòng)加速度)。有害加速度和機(jī)動(dòng)加速度在慣性系內(nèi)也將因G變化十分劇烈，變化頻段處于比較高的頻率；重力加速度g在慣性系內(nèi)作圓錐慢漂運(yùn)動(dòng)(如附圖
2)，變化十分緩慢，周期在20小時(shí)左右，變化頻段處于比較低的頻率。
(5)設(shè)計(jì)低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度的獲取。
設(shè)計(jì)低通濾波器，綜合考慮低通特性、延時(shí)大小等因素，設(shè)定濾除加速度計(jì)信號(hào)濾波器的過(guò)渡帶分別為
。
利用重力加速度信息在基座慣性系呈現(xiàn)出慢圓錐變化這一特性，采取低通濾波技術(shù)對(duì)慣性系下的加速度信息/'進(jìn)行處理，濾除載體由于搖擺及蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾角速度和加速度，得到相對(duì)純凈的重力加速度gS其獲取流程如附圖3。
(6)將獲取的重力加速度信息f在慣性系內(nèi)進(jìn)行投影S、<、<，由投影進(jìn)行計(jì)算得到a、3。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的將三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量的載體加速度/A轉(zhuǎn)換到慣性系上得到加速度~r ；I1=CJb 其中，q表示載體坐標(biāo)系向慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)陀螺儀的輸出，利用四元數(shù)法對(duì)矩陣q進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，為下一周期的運(yùn)算提供參數(shù)；/A中包含兩部分重力加速度g和其他加速度(有害加速度和機(jī)動(dòng)加速度)。有害加速度和機(jī)動(dòng)加速度在慣性系內(nèi)也將因G變化十分劇烈，變化頻段處于比較高的頻率；重力加速度g在慣性系內(nèi)作圓錐慢漂運(yùn)動(dòng)，變化十分緩慢，周期在20小時(shí)左右，變化頻段處于比較低的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的設(shè)計(jì)低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度的獲?。? 設(shè)計(jì)低通濾波器，綜合考慮低通特性、延時(shí)大小等因素，設(shè)定濾除加速度計(jì)信號(hào)濾波器的過(guò)渡帶分別為
。
利用重力加速度信息在基座慣性系呈現(xiàn)出慢圓錐變化這一特性，采取低通濾波技術(shù)對(duì)慣性系下的加速度信息7進(jìn)行處理，濾除載體由于搖擺及蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾角速度和加速度，得到相對(duì)純凈的重力加速度gi。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的將獲取的重力加速度信息f在慣性系內(nèi)進(jìn)行投影K、<、K，由投影進(jìn)行計(jì)算得到 a、3 ;
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于光纖捷聯(lián)羅經(jīng)技術(shù)的載體姿態(tài)確定方法。載體處于機(jī)動(dòng)環(huán)境下，加速度計(jì)輸出中包含著大量的干擾加速度，通過(guò)利用數(shù)字低通濾波器濾除載體干擾加速度后，在慣性坐標(biāo)系內(nèi)就能觀察到由于地球旋轉(zhuǎn)引起的重力視加速度的緩慢漂移，通過(guò)分析重力加速度的運(yùn)動(dòng)便能確定地理北向信息，并進(jìn)一步確定出系統(tǒng)的姿態(tài)捷聯(lián)矩陣，計(jì)算出載體任意時(shí)刻的姿態(tài)信息。本發(fā)明有效地解決了傳統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量方法中輸出的姿態(tài)信息包含舒勒震蕩周期和傅科震蕩周期對(duì)系統(tǒng)姿態(tài)精度的影響，該方法具有自主、精度高的特點(diǎn)，適合用于各種中高精度的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01C21/16GK102706349SQ20121018702
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者孫偉, 徐愛(ài)功, 高揚(yáng) 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)