CN102706349A - 一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法。载体处于机动环境下，加速度计输出中包含着大量的干扰加速度，通过利用数字低通滤波器滤除载体干扰加速度后，在惯性坐标系内就能观察到由于地球旋转引起的重力视加速度的缓慢漂移，通过分析重力加速度的运动便能确定地理北向信息，并进一步确定出系统的姿态捷联矩阵，计算出载体任意时刻的姿态信息。本发明有效地解决了传统姿态测量方法中输出的姿态信息包含舒勒震荡周期和傅科震荡周期对系统姿态精度的影响，该方法具有自主、精度高的特点，适合用于各种中高精度的捷联惯性导航系统。

Description

一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，尤其涉及的是一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法。 

(二)背景技术

传统的陀螺罗经是最古老的以一高速旋转的陀螺为基础系统，能使它的角力矩方向与地球旋转的角力矩方向一致，就像一个磁罗盘的磁力矩与地磁场方向保持一致那样来确定地理北向相关的方位。从二十世纪二十年代起，这种陀螺罗经就一直应用于各类舰船上，这些舰船需要零点几度的航向精度并能避免磁场干扰。在过去六十年左右的时间里，这种技术在基本的原理上没有任何变化，同时在使用中它还需要非常细致的维护，且提供的可靠性也有限。陀螺罗经系统必须能承受随机运动的影响，即无论载体如何运动，陀螺罗经必须保持对外界运动相对不敏感，而且这种随机运动可能是很剧烈的，如船的翻滚、摇摆、波浪的涌动等。所以考虑实际的恶劣运动环境，我们可清楚的知道：由于有翻滚、摇摆等运动的存在，陀螺所测量的地球转速受到非常大的转动量的干扰；其次，受波浪涌动、载体加减速等机动运动时，加速度计测量的重力加速度受到离心加速度和牵连加速度的干扰，且离心加速度被证明是相当高的。传统陀螺罗经系统直接利用与陀螺框架有关的地球转动速率的测量，这种做法没什么特别优势，而且系统比较复杂，不符合光纤捷联罗经系统的要求。 

光纤陀螺仪以其动态范围大、精度高、启动快和系统设计灵活等优点在惯性器件领域得到快速发展和应用。光纤陀螺仪可在任何设定的瞬时，测量出运动物体的旋转角速度，加速度计测量出载体的重力视加速度和其它加速度的总和。这些测量信息都与运动物体自身的参考坐标系有关的，运动载体相对于惯性空间的角姿态可通过旋转角速度的积分可计算出来。如果将载体的离心加速度和牵连加速度等剔除掉，那么在惯性坐标系内就能观察到由于地球旋转引起的重力视加速度的缓慢漂移。如果在惯性坐标系中观察重力加速度，那么其运动轨迹构成一个圆锥面，该圆锥体主轴是地球的旋转轴。因此若取重力加速度在惯性坐标系的投影，则其投影分量就能包含地球自转角速度信息，所以只需要分析重力加速度的运动便能确定地理北向信息。 

(三)发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种利用数字低通滤波器求取惯性坐标系下的重力加速度信息，由重力加速度在惯性系内进行投影获取载体相对地球表面的运动状态，实现对载体姿态信息实时获取的新方法。 

本发明的技术解决方案为：一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法，其特征在 于载体处于机动环境下，加速度计输出中包含着大量的干扰加速度，通过利用数字低通滤波器滤除载体干扰加速度后，在惯性坐标系内就能观察到由于地球旋转引起的重力视加速度的缓慢漂移，通过分析重力加速度的运动便能确定地理北向信息，以此实现对载体姿态信息的获取，同时避免了传统捷联惯导系统求取的姿态信息中包含舒勒周期震荡和傅科周期震荡误差对姿态精度的影响。其具体步骤如下： 

(1)利用全球定位系统GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中； 

(2)光纤陀螺捷联惯性导航系统进行预热，然后采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据； 

(3)对采集到的光纤陀螺仪和石英加速度计的数据进行处理； 

(4)将三个加速度计测量的载体加速度 

转换到惯性系上得到加速度 

${\tilde{f}}^i=C_b^i{\tilde{f}}^b$

其中， 

表示载体坐标系向惯性坐标系的转换矩阵，根据陀螺仪的输出，利用四元数法对矩阵 

进行实时更新，为下一周期的运算提供参数； 

中包含两部分：重力加速度g和其他加速度(有害加速度和机动加速度)。有害加速度和机动加速度在惯性系内也将因 

变化十分剧烈，变化频段处于比较高的频率；重力加速度g在惯性系内作圆锥慢漂运动(如附图2)，变化十分缓慢，周期在20小时左右，变化频段处于比较低的频率。 

(5)设计低通滤波器实现对重力加速度的获取。 

设计低通滤波器，综合考虑低通特性、延时大小等因素，设定滤除加速度计信号滤波器的过渡带分别为[0.01Hz，0.02Hz]。 

利用重力加速度信息在基座惯性系呈现出慢圆锥变化这一特性，采取低通滤波技术对惯性系下的加速度信息 

进行处理，滤除载体由于摇摆及荡运动产生的干扰角速度和加速度，得到相对纯净的重力加速度gⁱ，其获取流程如附图3。 

(6)将获取的重力加速度信息gⁱ在惯性系内进行投影 

由投影进行计算得到α、β。 

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}(g_x^i/g_y^i)$

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}(g_z^i/\sqrt{g_y^{i^2}+g_x^{i^2}})$

由α、β确定的旋转矩阵分别为： 

$C1=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$C2=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\\ 0& -\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\end{array}\right]$

由C1、C2可得到惯性系和地理系之间的变换矩阵 

$C_i^n=C2C1$

由陀螺得到的角速度在惯性空间内对 

进行实时更新得到： 

${\stackrel{\·}{C}}_b^i=C_b^i{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ib}}^b$

其中， 

为 

的反对称矩阵。通过上述实时计算，地理系和载体系间的捷联矩阵 

$C_b^n=C_i^n{C}_b^i=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}^n& C_{12}^n& C_{13}^n\\ C_{21}^n& C_{22}^n& C_{23}^n\\ C_{31}^n& C_{32}^n& C_{33}^n\end{array}\right]$

又因为 

所以根据捷联矩阵 可确定载体航向角 

俯仰角θ、倾斜角γ主值： 

航向角 

定义域为(0°，360°)，俯仰角θ定义域为(-90°，90°)，倾斜角γ定义域为(-180°，180°)，得到载体姿态真值： 

θ＝θ_主

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明打破了惯导系统中采用传统的计算方法求取的载体姿态信息中包含了舒勒震荡周期、傅科震荡周期而导致系统无法准确描述载体运动特性的状况，通过利用数字低通滤波器滤除加速度计输出中包含的干扰加速度信息，获取惯性系下的重力加速度，通过分析重力加速度的运动便能确定地理北向信息，由于未采用传统的载体姿态计算方法，因此避免了系统震荡周期的存在，以此实现对载体姿态信息的准确获取。 

对本发明有益的效果说明如下： 

采用本发明提出的基于捷联罗经方案的载体姿态信息获取方法，将计算得到的载体三个方向上的姿态信息分别与参考基准PHINS提供的姿态信息进行对比，误差值均在有效范围内(如附图4)。 

(四)附图说明

图1为本发明的基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法流程图； 

图2为本发明的惯性系地球重力加速度获取流程； 

图3为本发明的重力加速度变化趋势图； 

图4为本发明的罗经方法(ADS)与参考基准PHINS的姿态对比曲线； 

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述： 

(1)利用全球定位系统GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中； 

(2)光纤陀螺捷联惯性导航系统进行预热，然后采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据； 

(3)对采集到的光纤陀螺仪和石英加速度计的数据进行处理； 

(4)将三个加速度计测量的载体加速度 

转换到惯性系上得到加速度 

${\tilde{f}}^i=C_b^i{\tilde{f}}^b$

其中， 

表示载体坐标系向惯性坐标系的转换矩阵，根据陀螺仪的输出，利用四元数法对矩阵 

进行实时更新，为下一周期的运算提供参数； 

中包含两部分：重力加速度g和其他加速度(有害加速度和机动加速度)。有害加速度和机动加速度在惯性系内也将因 

变化十分剧烈，变化频段处于比较高的频率；重力加速度g在惯性系内作圆锥慢漂运动(如附图2)，变化十分缓慢，周期在20小时左右，变化频段处于比较低的频率。 

(5)设计低通滤波器实现对重力加速度的获取。 

设计低通滤波器，综合考虑低通特性、延时大小等因素，设定滤除加速度计信号滤波器的过渡带分别为[0.01Hz，0.02Hz]。 

利用重力加速度信息在基座惯性系呈现出慢圆锥变化这一特性，采取低通滤波技术对惯性系下的加速度信息 

进行处理，滤除载体由于摇摆及荡运动产生的干扰角速度和加速度，得到相对纯净的重力加速度gⁱ，其获取流程如附图3。 

(6)将获取的重力加速度信息gⁱ在惯性系内进行投影 

由投影进行计算得到α、β。 

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}(g_x^i/g_y^i)---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}(g_z^i/\sqrt{g_y^{i^2}+g_x^{i^2}})---\left(3\right)$

由α、β确定的旋转矩阵分别为： 

$C1=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

$C2=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\\ 0& -\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(5\right)$

由C1、C2可得到惯性系和地理系之间的变换矩阵 

$C_i^n=C2C1---\left(6\right)$

由陀螺得到的角速度在惯性空间内对 

进行实时更新得到： 

${\stackrel{\·}{C}}_b^i=C_b^i{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ib}}^b---\left(7\right)$

其中， 

为 

的反对称矩阵。通过上述实时计算，地理系和载体系间的捷联矩阵 

$C_b^n=C_i^n{C}_b^i=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}^n& C_{12}^n& C_{13}^n\\ C_{21}^n& C_{22}^n& C_{23}^n\\ C_{31}^n& C_{32}^n& C_{33}^n\end{array}\right]---\left(8\right)$

又因为 

所以根据捷联矩阵 可确定载体航向角 

俯仰角θ、倾斜角γ主值： 

航向角 

定义域为(0°，360°)，俯仰角θ定义域为(-90°，90°)，倾斜角γ定义域为(-180°，180°)，得到载体姿态真值： 

θ＝θ_主                                                   (12) 

。

Claims (4)

1.一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用全球定位系统GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；

(2)光纤陀螺捷联惯性导航系统进行预热，然后采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据；

(3)对采集到的光纤陀螺仪和石英加速度计的数据进行处理；

(4)将三个加速度计测量的载体加速度 

转换到惯性系上得到加速度 

其中， 表示载体坐标系向惯性坐标系的转换矩阵，根据陀螺仪的输出，利用四元数法对矩阵 

进行实时更新，为下一周期的运算提供参数； 

中包含两部分：重力加速度g和其他加速度(有害加速度和机动加速度)。有害加速度和机动加速度在惯性系内也将因 

变化十分剧烈，变化频段处于比较高的频率；重力加速度g在惯性系内作圆锥慢漂运动(如附图2)，变化十分缓慢，周期在20小时左右，变化频段处于比较低的频率。

(5)设计低通滤波器实现对重力加速度的获取。

设计低通滤波器，综合考虑低通特性、延时大小等因素，设定滤除加速度计信号滤波器的过渡带分别为[0.01Hz，0.02Hz]。

利用重力加速度信息在基座惯性系呈现出慢圆锥变化这一特性，采取低通滤波技术对惯性系下的加速度信息 

进行处理，滤除载体由于摇摆及荡运动产生的干扰角速度和加速度，得到相对纯净的重力加速度gⁱ，其获取流程如附图3。

(6)将获取的重力加速度信息gⁱ在惯性系内进行投影 

由投影进行计算得到α、β。

由α、β确定的旋转矩阵分别为：

由C1、C2可得到惯性系和地理系之间的变换矩阵 

由陀螺得到的角速度在惯性空间内对 

进行实时更新得到：

其中， 为 

的反对称矩阵。通过上述实时计算，地理系和载体系间的捷联矩阵 

又因为

所以根据捷联矩阵 

可确定载体航向角 

俯仰角θ、倾斜角γ主值：

航向角 

定义域为(0°，360°)，俯仰角θ定义域为(-90°，90°)，倾斜角γ定义域为(-180°，180°)，得到载体姿态真值：

θ＝θ_主

。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法，其特征在于 所述的将三个加速度计测量的载体加速度 

转换到惯性系上得到加速度 

其中， 

表示载体坐标系向惯性坐标系的转换矩阵，根据陀螺仪的输出，利用四元数法对矩阵 

进行实时更新，为下一周期的运算提供参数； 

中包含两部分：重力加速度g和其他加速度(有害加速度和机动加速度)。有害加速度和机动加速度在惯性系内也将因 变化十分剧烈，变化频段处于比较高的频率；重力加速度g在惯性系内作圆锥慢漂运动，变化十分缓慢，周期在20小时左右，变化频段处于比较低的频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法，其特征在于所述的设计低通滤波器实现对重力加速度的获取；

设计低通滤波器，综合考虑低通特性、延时大小等因素，设定滤除加速度计信号滤波器的过渡带分别为[0.01Hz，0.02Hz]。

利用重力加速度信息在基座惯性系呈现出慢圆锥变化这一特性，采取低通滤波技术对惯性系下的加速度信息 

进行处理，滤除载体由于摇摆及荡运动产生的干扰角速度和加速度，得到相对纯净的重力加速度gⁱ。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤捷联罗经技术的载体姿态确定方法，其特征在于所述的将获取的重力加速度信息gⁱ在惯性系内进行投影 

由投影进行计算得到α、β；

由α、β确定的旋转矩阵分别为：

由C1、C2可得到惯性系和地理系之间的变换矩阵 

由陀螺得到的角速度在惯性空间内对 进行实时更新得到：

其中， 

为 的反对称矩阵。通过上述实时计算，地理系和载体系间的捷联矩阵 

又因为

所以根据捷联矩阵 可确定载体航向角 

俯仰角θ、倾斜角γ主值：

航向角 

定义域为(0°，360°)，俯仰角θ定义域为(-90°，90°)，倾斜角γ定义域为(-180°，180°)，得到载体姿态真值：

θ＝θ_主

。

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