专利名称：一种捷联磁惯性组合系统的工作方法
技术领域：
本发明属于导航技术测量领域，涉及一种捷联磁惯性组合系统的工作方法。
背景技术：
捷联惯导系统从上世纪60年代初得到成熟的探索，尤其在1969年，捷联 惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆 炸时将飞船成功的引导到返回地球的轨道上时起到了决定性的作用，成为捷 联式惯导系统发展中的一个里程碑。从本世纪七十年代以来，在惯性传感器 及惯性导航系统技术方面又取得了长足的进步，成功的研制了各种类型的惯 性传感器(如激光陀螺、光纤陀螺、动态调谐陀螺等)，并得到了广泛的应用。 在系统技术方面，捷联式惯导系统也得到了极大的发展，除了精度要求比较 高的战略应用(战略导弹、战略核潜艇)之外，捷联惯导系统几乎取代了所 有的平台式惯导系统。据资料报道，美国军用惯导系统1984年前全部为平台 惯导，到1989年一半改为捷联惯导，1994年捷联式已经占有90%。
目前用于旋转弹的捷联惯性组合，由于缺少敏感高速横滚角速率的陀螺 仪，都在采取各种方法避免使捷联惯性测量单元承受弹体的旋转环境。如 美国为首的5国正在联合研制的GMLRS227mm远程制导火箭弹，为了避免惯性测 量单元承受旋转环境，采取了增加一个滑动轴承，隔离发动机的旋转，通过 空气舵使制导舱保持倾斜稳定。这种方式的缺点是系统复杂、增加了无效重 量，牺牲了一部分舵资源。美国正在研究能够测量范围达3600Vs、标度因 数误差小于5PPM的角速率陀螺仪，但是成本问题也难以在短期内得到解决。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种捷联惯性组合系统的工作方法，其目的在于解决对转速在10r/s 20r/s的旋转弹下的姿态测量，能实时 解算旋转弹的姿态，具有很强的环境适用性，以有效解决现有旋转弹的制导 改造需要。
本发明提供了一种捷联磁惯性组合系统，两只单轴角速率微机械陀螺、 一个双轴地磁滚转角测量单元、第一解算模块、第二解算模块、信号调理模 块、采集模块、输出模块和供电模块以捷联方式直接固连在弹体上；微机械 陀螺与双轴地磁滚转角测量单元相互正交；
供电模块，用于为两只单轴角速率微机械陀螺、 一个双轴地磁滚转角测 量单元、第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模 块供电；
信号调理模块，用于接收单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号并进 行滤波和放大；用于接收双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号并进行滤 波和放大；
采集模块，用于对信号调理模块调理后的单轴角速率微机械陀螺输出的 角速率信号和双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号进行模/数变换，并将 模/数变换后的正弦信号发送至第一解算模块，将模/数变换后的角速率信号 输出至第二解算模块；
第一解算模块，用于根据模/数变换后的正弦信号解算滚转角y以及滚转 角速率^;
第二解算模块，用于根据模/数变换后的角速率信号和第一解算模块发送 的滚转角速率A解算方位角^和俯仰角^;
输出模块，用于输出滚转角7、方位角^和俯仰角之 第一解算模块根据以下公式解算滚转角
当Hy>0时，y=90 — [arctan(Hz/Hy)] X 180/兀； 当Hy<0时，y = 270 — [arctan(Hz/Hy)] X 180/兀； 当H广0且ZO时，7=180; 当H"0且ZX)日寸，y=0;
其中，Hy和Hz分别为地磁敏感双轴信号。第二解算模块根据以下方法解算方位角W和俯仰角^:
根据公式
<formula>formula see original document page 7</formula>得到四元数qo ， qi ， q2 ， q3;
将游动方位坐标系与弹体坐标系的方向余弦矩阵式为等效为四元数姿态
T = Cbn = C
矩阵:
<formula>formula see original document page 7</formula>根据公式^" = ^422)得到方位角^和俯仰角^
其中，"为初始方位，^和^分别为两只单轴角速率微机械陀螺测i
的角速率信号进行模/数变换后的角速率信号。
双轴地磁滚转角测量单元由双轴磁阻芯片实现。 信号调理模块由巴特沃斯滤波器和仪表放大器组成。
捷联磁惯性组合系统还包括相互正交的三只微机械加速度计； 信号调理模块，还用于接收微机械加速度计输出的加速度信号并进行滤 波和放大；
采集模块，还用于对信号调理模块调理后的微机械加速度计输出的加速 度信号进行模/数变换，并将模/数变换后的加速度信号输出至第二解算模块;供电模块，还用于为微机械加速度计供电。
捷联磁惯性组合系统具有外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层 框架板；
双轴地磁滚转角测量单元单独灌封成整体安装在第三层框架板上； 单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计灌封成整体，调整好交叉耦合
后，安装在第二框架板上；供电模块安装在第二框架板上；
第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块安
装在第一层框架板上；
外壳上设置有安装座，通过安装孔与弹体固定连接。
外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层框架板均由无磁铝构成。
双轴地磁滚转角测量单元与第三层框架板之间垫有阻尼片；
单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计与第二框架板之间垫有阻尼
片；供电模块与第二框架板之间垫有阻尼片；
第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块与
第一层框架板之间垫有阻尼片。
双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号直接输入采集单元。
本发明提供了 一种捷联磁惯性组合系统的工作方法，包括
步骤Sl，信号调理模块接收单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号并
进行滤波和放大，以及接收双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号并进行
滤波和放大；
步骤S2，采集模块对信号调理模块调理后的单轴角速率微机械陀螺输出 的角速率信号和双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号进行模/数变换，并 将双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号发送至第一解算模块，模/数变换 将单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号输出至第二解算模块；
步骤S3,第一解算模块根据模/数变换后的正弦信号解算滚转角y以及滚 转角速率％;
步骤S4，第二解算模块根据模/数变换后的角速率信号和第一解算模块 发送的滚转角速率气解算方位角^和俯仰角
步骤S5，输出模块输出滚转角y、方位角^和俯仰角e; 捷联磁惯性组合系统中的两只单轴角速率微机械陀螺、 一个双轴地磁滚转角测量单元、第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块、 输出模块和供电模块以捷联方式直接固连在弹体上；微机械陀螺与双轴地磁
滚转角测量单元相互正交；
供电模块为两只单轴角速率微机械餘螺、一个双轴地磁滚转角测量单元、 第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块供电。
步骤S3中，第一解算模块根据以下公式解算滚转角
当Hy〉0时，y = 90 — [arctan(Hz/Hy)] X 180/兀； 当Hy<0时，,=270 - [arctan(Hz/Hy)] X 180/兀； 当H"0且Z〈0时，y=180; 当HyK)且Z〉0时，7=0; 其中，Hy和Hz分别为地磁敏感双轴信号。
歩骤S4中，第二解算模块根据以下方法解算方位角^和俯仰角^
<formula>formula see original document page 9</formula>艮据公式<formula>formula see original document page 9</formula>
得到四元数qo ， q！ ， q2 ， q3;
将游动方位坐标系与弹体坐标系的方向余弦矩阵式为等效为四元数姿态
<formula>formula see original document page 9</formula>
矩阵:
<formula>formula see original document page 9</formula>^ = arcsin(r32)枏丰居/、^f ="厂"g(— ) -县别卡/*存，,，知/齒"n伤々
其中，"为初始方位，"y和A分别为两只单轴角速率微机械陀螺测得的角速率信号进行模/数变换后的角速率信号。
双轴地磁滚转角测量单元由双轴磁阻芯片实现。信号调理模块由巴特沃斯滤波器和仪表放大器组成。
捷联磁惯性组合系统还包括相互正交的三只微机械加速度计；步骤Sl中，信号调理模块还接收微机械加速度计输出的加速度信号并进行滤波和放大；
步骤S2中，采集模块还对信号调理模块调理后的微机械加速度计输出的加速度信号进行模/数变换，并将模/数变换后的加速度信号输出至第二解算模块；
供电模块，还用于为微机械加速度计供电。
捷联磁惯性组合系统具有外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层框架板；
双轴地磁滚转角测量单元单独灌封成整体安装在第三层框架板上；单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计灌封成整体，调整好交叉耦合
后，安装在第二框架板上；供电模块安装在第二框架板上；
第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块安
装在第一层框架板上；
外壳上设置有安装座，通过安装孔与弹体固定连接。
外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层框架板均由无磁铝构成。
双轴地磁滚转角测量单元与第三层框架板之间垫有阻尼片；
单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计与第二框架板之间垫有阻尼
片；供电模块与第二框架板之间垫有阻尼片；
第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块与
第一层框架板之间垫有阻尼片。
双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号直接输入采集单元。采用本发明的装置，可以实现如下有益效果l)体积小，抗高过载冲击;2)对于横滚角速率的测量不再使用原有的角速率陀螺，而是直接使用地磁滚转角测量单元来解算旋转弹的横滚角及横滚角速率，由于可以直接获取横滚角位置，从而避免了由积分获取位置量所带来的积分积累误差。解算装置通过所测的横滚角及横滚角速率来完成对其它姿态信号的解旋测量。
图1是磁惯性组合系统各模块结构图2是磁惯性组合系统的内部结构示意图3是磁惯性组合的产品图4是利用地磁敏感双轴信号来解算滚转角的坐标示意图5是坐标系的相互转换关系示意图6是磁惯性组合系统的工作流程示意图。
具体实施例方式
本发明的磁惯性组合系统是按照如下的技术方案实施的主要由两只单轴角速率微机械陀螺、三只微机械加速度计、 一个双轴地磁滚转角测量单元、
弹载计算机及电源电路以捷联方式直接固连在结构本体上。所有元器件，MEMS传感器都采用固体芯片，分层通过阻尼片装在板级上，利用阻尼胶灌封在壳
体内，成为整体。工作流程装订旋转弹的射向、所处当地磁倾角、磁偏角，随着弹体的转动，地磁滚转角测量单元获取正弦变化的磁信号，然后根据这些装订参数，解算出主轴的滚转角和滚转速率。俯仰轴和偏航轴的速率可由安装在对应轴上的两只单轴角速率微机械陀螺测出，然后通过解旋计算所得。类似的三轴加速度可由正交安装的三只微机械加速度计所测的。下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
图1给出了本发明的系统模块结构图。它包括双轴地磁滚转角测量单元
1， MEMS (微机电系统)陀螺2， MEMS加速度计3，信号调理模块4，采集模块5，单片机解算模块6， DSP姿态解算模块7和输出模块8。双轴地磁滚转角测量单元1由双轴磁阻传感器及其配套的信号处理电路组成。MEMS陀螺2由单轴微机械陀螺组成。MEMS加速度计3由三轴正交的微机械加速度计组成。信号调理模块4为差分放大电路和四阶巴特沃斯低通滤波器构成，
滤波器截止频率100H。采集模块5由高速ADC板构成，它是12通道，釆样精度16bit，单路采样速率50KHz的ADC板。单片计算机解算模块6中的单片计算机是采用Cygnal公司的C8051F020，最高运行频率可达到25MM，同时具有比较大的FLASH和RAM。 DSP姿态解算模块7采用TI公司的DSP芯片TMS320F2801及电源芯片TPS70151。输出模块8主要由串口芯片Max3488组成。电源模块9采用DC-DC模块和78系列稳压芯片为系统提供3.3V， 5V，15V等电压。其中滚转角、滚转速率解算程序装载在单片计算机解算模块中，姿态解算算法装载在DSP姿态解算模块7中。
图1中的MEMS加速度计并不是本发明必须的模块，MEMS加速度计测得的信号经过调理和采集之后输入DSP姿态解算模块并处理后，由输出模块输出，它主要是用来为后续的导航提供依据。
工作时，由弹上电源通过供电模块9供电，利用双轴地磁滚转角测量模块1对地磁场进行敏感，利用MEMS陀螺2和MEMS加速度计3对转动速率和三轴及加速度进行敏感，随着弹体的转动，输出正弦的敏感信号，这些敏感信号经过信号调理模块4，经过采集模块5进行AD采样，分别输出给单片计算解算模块7和DSP解算模块8进行三个姿态角的解算，最后通过输出模块8输出给后续的控制系统，进行惯性制导。
图1中滚转角测量单元用于测出随弹体滚转变化的双轴正弦信号，它是采用双轴磁阻芯片HMC1022芯片实现的。
信号调理模块4主要用于信号滤波和放大，它可以采用二到四阶巴特沃斯滤波器进行滤波，能很好的滤除100Hz以上的干扰信号。同时利用仪表放大器对滤波后的信号进行放大，以供给采集模块5。
采集模块5是将模拟信号转换为数字信号，把地磁信号提供给单片机解算模块，陀螺信号和加速度信号提供给DSP姿态解算模块。
单片机解算模块利用地磁敏感双轴信号来解算滚转角，具体方法如下
如图4所示设地磁敏感双轴信号为Hy， Hz，当传感器位于不同滚转角指向时，Hy,Hz会随之发生变化，通过如下公式，即可解算出0° 360°的滚转角y。根据各个时刻解算的滚转角y，能实时给出滚转角速率。
由于需要解算的滚转角y是在0° 360°内，而反正切函数解算的角度范围只有-90~90，故需要分段处理，如下式
当Hy>0时
y = 90 — [arctan(z/y)] X 180/兀 ^ (1)
当HyO时
y= 270 — [arctan(z/y)] X 180/兀当Hy=0，Z<0时
y= 180 (3)当Hy=0,Z>0时
7=0 ('
设滚转角速率为A，可由如下公式得到
气 =dy/dt
姿态解算模块采用游动方位坐标系的捷联式惯性导航数学平台，采用四元数法与等效转动矢量的方法进行姿态矩阵的解算以从中提取姿态角信
载体的姿态可用方位角^、俯仰角e和滚转角y表示。
如图4，游动方位坐标系与弹体坐标系的方向余弦矩阵式为
—cos ;k sin ^ + sin y sin 6 sin ^ — sin y cos P
cos y cos ^ + sin y sin <9 sin ycos S sin ^、sin y cos ^ — cos y sin 6* sin y
由四元法可知
cos 6 cosy/
fl6
sin^
—sin ;k sin — cos y sin 6* cos ^cos y cos <9
(5)
0，-A
q00，
qlq2，0
q3_化0、，，0
(6)由(6)可得到四元数q。 ， qi ， q2 ， q3。 Wy就是两只单轴MEMS陀螺测得的角速率。
则式(5)的方向余弦矩阵可等效为四元数姿态矩阵
为:<formula>formula see original document page 14</formula>对式(8)实时求解q。 ， q！ ， q2 ， q3的值，即可实时求出俯仰角和方位角
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中"为初始方位，其中滚转角通过地磁滚转角测量单元给出。
双轴地磁滚转角测量模块i输出的双轴正弦信号也可以不经过信号调理
模块4，而直接输入到采集模块5;其余各模块之间的连接关系如图l所示，
同样也可以实现本发明。
图2给出了本发明磁惯性组合的内部安装示意图；本发明磁惯性组合所
有元器件都采用固体芯片，分装在3层框架板10 12，每块板级和固体芯片
之间都垫有阻尼片。其中磁滚转角测量单元1单独灌封成整体，安装在框架
板12上，MEMS陀螺2和MEMS加速度计3灌封成整体，调整好交叉耦合后，安装在框架板11上，框架板11的富余空间上安装供电模块9，计算机模块包括单片计算机解算模块6， DSP姿态解算模块7，安装在框架板10上。
14其中采集模块，信号调理模块和输出模块也安装在框架板10上。壳体13有
安装座，通过安装孔14与弹体固定连接，壳体上有坐标线及产品编号(图中
未画出)，整个壳体7和框架板10 12都是采用无磁铝构成。图3给出了本发明磁惯性组合产品外观图。整个系统设计采用模块化处理，各个模块功能单一，方便调试。图6是本发明提供的磁惯性组合系统的工作流程示意图，包括步骤601，信号调理模块接收单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号
并进行滤波和放大，以及接收双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号并进
行滤波和放大；
步骤602，采集模块对信号调理模块调理后的单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号和双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号进行模/数变换，并将双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号发送至第一解算模块，模/数变换将单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号输出至第二解算模块；
步骤603，第一解算模块根据模/数变换后的正弦信号解算滚转角y以及滚转角速率w"
步骤604，第二解算模块根据模/数变换后的角速率信号和第一解算模块发送的滚转角速率&解算方位角^和俯仰角6;
步骤605，输出模块输出滚转角"、方位角^和俯仰角之本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条
件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限
于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
权利要求
1.一种捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于，包括步骤S1，信号调理模块接收单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号并进行滤波和放大，以及接收双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号并进行滤波和放大；步骤S2，采集模块对信号调理模块调理后的单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号和双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号进行模/数变换，并将双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号发送至第一解算模块，模/数变换将单轴角速率微机械陀螺输出的角速率信号输出至第二解算模块；步骤S3，第一解算模块根据模/数变换后的正弦信号解算滚转角γ以及滚转角速率ωx；步骤S4，第二解算模块根据模/数变换后的角速率信号和第一解算模块发送的滚转角速率ωx解算方位角ψ和俯仰角θ；步骤S5，输出模块输出滚转角γ、方位角ψ和俯仰角θ；捷联磁惯性组合系统中的两只单轴角速率微机械陀螺、一个双轴地磁滚转角测量单元、第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块、输出模块和供电模块以捷联方式直接固连在弹体上；微机械陀螺与双轴地磁滚转角测量单元相互正交；供电模块为两只单轴角速率微机械陀螺、一个双轴地磁滚转角测量单元、第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块供电。
2. 如权利要求1所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 步骤S3中，第一解算模块根据以下公式解算滚转角<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Hy和Hz分别为地磁敏感双轴信号。
3. 如权利要求2所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于，步骤S4中，第二解算模块根据以下方法解算方位角^和俯仰角^根据公式<formula>formula see original document page 3</formula>得到四元数qQ ， q, ， q2 ， q3;将游动方位坐标系与弹体坐标系的方向余弦矩阵式为等效为四元数姿态 化'<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula> 根据公式<formula>formula see original document page 3</formula>得到方位角^和俯仰角^其中，"为初始方位，Wy和^分别为两只单轴角速率微机械陀螺测得 的角速率信号进行模/数变换后的角速率信号。
4. 如权利要求1所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于，双轴地磁滚转角测量单元由双轴磁阻芯片实现。
5. 如权利要求1所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于，信号调理模块由巴特沃斯滤波器和仪表放大器组成。
6. 如权利要求1所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 捷联磁惯性组合系统还包括相互正交的三只微机械加速度计；N、V_.盯步骤Sl中，信号调理模块还接收微机械加速度计输出的加速度信号并进行滤波和放大；步骤S2中，采集模块还对信号调理模块调理后的微机械加速度计输出的 加速度信号进行模/数变换，并将模/数变换后的加速度信号输出至第二解算 模块；供电模块，还用于为微机械加速度计供电。
7. 如权利要求6所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 捷联磁惯性组合系统具有外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层框架 板；双轴地磁滚转角测量单元单独灌封成整体安装在第三层框架板上；单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计灌封成整体，调整好交叉耦合 后，安装在第二框架板上；供电模块安装在第二框架板上；第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块安 装在第一层框架板上；外壳上设置有安装座，通过安装孔与弹体固定连接。
8. 如权利要求7所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 外壳、第一层框架板、第二层框架板和第三层框架板均由无磁铝构成。
9. 如权利要求7所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 双轴地磁滚转角测量单元与第三层框架板之间垫有阻尼片； 单轴角速率微机械陀螺和微机械加速度计与第二框架板之间垫有阻尼片；供电模块与第二框架板之间垫有阻尼片；第一解算模块、第二解算模块、信号调理模块、采集模块和输出模块与 第一层框架板之间垫有阻尼片。
10. 如权利要求7所述的捷联磁惯性组合系统的工作方法，其特征在于， 双轴地磁滚转角测量单元输出的正弦信号直接输入采集单元。
全文摘要
本发明涉及一种捷联磁惯性组合系统的工作方法。该方法中，信号调理模块对角速率信号和正弦信号进行滤波和放大；采集模块对信号调理模块调理后的角速率信号和正弦信号进行模/数变换，并将正弦信号发送至第一解算模块，将角速率信号输出至第二解算模块；第一解算模块根据正弦信号解算滚转角γ以及滚转角速率ω<sub>x</sub>；第二解算模块根据角速率信号和滚转角速率ω<sub>x</sub>解算方位角ψ和俯仰角θ；输出模块，用于输出滚转角γ、方位角ψ和俯仰角θ。本发明对于横滚角速率的测量不再使用原有的角速率陀螺，而是直接使用地磁滚转角测量单元来解算旋转弹的横滚角及横滚角速率，由于可以直接获取横滚角位置，从而避免了由积分获取位置量所带来的积分积累误差。
文档编号G01C21/06GK101561281SQ20091008478
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月19日 优先权日2009年5月19日
发明者施国兴, 李兴城, 杨树兴, 中 苏 申请人:北京星箭长空测控技术股份有限公司;北京理工大学