一种采用陀螺冗余斜交配置方式测量高速旋转体姿态和角速度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性导航的领域，具体涉及采用陀螺冗余斜交配置方式测量高速旋转 体姿态和角速度的方法。
【背景技术】
[0002] 高速旋转体的姿态和角速度测量一直是一个难点，如旋转弹的滚转角速率可高达 20圈/秒（约7200度/秒），而普通的陀螺，其角速度测量范围一般仅为几百度每秒，存在 较大的差距。尽管目前有些特殊的激光陀螺、光纤陀螺或微机械陀螺具有大量程，但大量程 通常导致陀螺的分辨率降低、线性度和可靠性较差，重量或体积增加。
[0003] 用加速度计代替陀螺的无陀螺测量方式需要较大的杆臂长度，安装难度较大，特 别在被测物体体积较小时更明显。
[0004] 根据公开的文献资料显示，某些高速度旋转的火箭弹，在惯性测量组件（包含陀 螺和加速度计等）上加装伺服电机，运行过程中与旋转方向相反，达到减少旋转（即减旋） 的影响。这种主动减旋方式直接有效，但在实际使用过程中，缺点也很明显：（1)增加了一 个伺服电机环节，降低了整个系统的可靠性；（2)由于旋转速度较大，控制难度大，如果控 制不当，会起到反作用；（3)导航系统的体积、重量相应地增大，影响弹的射程。
[0005]传统的其它导航方式，如地磁导航、天文导航、GPS导航等方式存在实时性差、抗干 扰能力弱等问题，无法实现对旋转载体实时、高速、精确的角速度和姿态测量，这使得后续 的制导过程变得十分困难，因此研制能准确、有效测量高速旋转体的角速度和姿态的方法 迫在眉睫。
[0006] 本发明采用陀螺冗余斜交配置的方式，解决高速旋转体的角速度和姿态测量难 题。使用斜置陀螺测量高速旋转角的角速度，积分得到姿态角。通常，陀螺按三轴正交方式 安装，构成一个完整的右手坐标系，冗余斜交配置是指在正交三轴陀螺之外，斜置一个或多 个陀螺测量旋转角速度。这种冗余方式使用多个器件对同一个角速度冗余测量，从而提高 测量精度和系统可靠性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种提高了导航系统在自旋方向上的测量范围和可靠性 的采用陀螺冗余斜交配置方式测量高速旋转体姿态和角速度的方法。
[0008]本发明的目的是这样实现的：
[0009] (1)利用GPS确定载体的初始位置参数；
[0010] (2)采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据：
[0011] (3)根据GPS确定的经炜度值计算出对准点的重力扰动值，对加速度计的输出进 行补偿；
[0012] (4)采用解析法来完成系统的粗对准，初步确定载体的姿态信息O);
[0013] (5)粗对准结束后建立捷联惯性导航系统初始对准非线性状态误差方程；
[0014] (6)利用UKF滤波方法进行滤波；
[0015] (7)利用估计出来的平台失准角修正系统的捷联初始矩阵^(0)，得到精确的初 始捷联矩阵G(〇)，即G(〇) = Cf (0)，完成高精度的初始对准。
[0016] 本发明的有益效果在于：
[0017] 本发明解决了高速旋转体滚转角测量中陀螺量程的问题。只需要在斜置方向上测 量一个比较小的角速度，就能推算出较大的旋转角速度。同时，采用斜置陀螺不加入其它控 制方式，从而不会引入新误差，解算简单，价格低廉。
【附图说明】
[0018] 图1为采用陀螺冗余邪教方式测量高速旋转体角速度及姿态流程图。
[0019] 图2为滚转角测量陀螺冗余配置图。
[0020] 图3为高速旋转体滚转角冗余测量原理图。
[0021] 图4为系统在高速旋转体上的轴向配置示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0023] 针对高速旋转载体的飞行角速度和姿态测量，采用普通的陀螺，设计一种斜交冗 余配置方式，扩充陀螺的测量范围，。
[0024] 技术方案
[0025] 本发明的技术方案分系统布置，旋转体载体系角速度解算，旋转体姿态角解算三 个步骤，流程图如图1。
[0026] 系统布置：
[0027] 如图2所示，用4枚放置于xoy平面和xoz平面内且与x轴成0角的斜置陀螺完 成滚转角的测量。斜置陀螺与X轴的夹角0由x轴最大角速度所需陀螺量程 以及所用陀螺的量程FS g决定：
[0028] FSg^ ? xmaxcos 0 +?ymaxsin 0
[0029] 确定0角后，可进一步确定测量矩阵H
[0030]
【主权项】
1. 一种采用陀螺冗余斜交配置方式测量高速旋转体姿态和角速度的方法，其特征在 于： (1) 利用GPS确定载体的初始位置参数； (2) 采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据： (3) 根据GPS确定的经炜度值计算出对准点的重力扰动值，对加速度计的输出进行补 偿； (4) 采用解析法来完成系统的粗对准，初步确定载体的姿态信息q'(〇); (5) 粗对准结束后建立捷联惯性导航系统初始对准非线性状态误差方程； (6) 利用UKF滤波方法进行滤波； (7) 利用估计出来的平台失准角修正系统的捷联初始矩阵<^'(〇)，得到精确的初始捷 联矩阵<^(0)，即C了(0) =C:〉q'(o)，完成高精度的初始对准。
【专利摘要】本发明属于惯性导航的领域，具体涉及采用陀螺冗余斜交配置方式测量高速旋转体姿态和角速度的方法。本发明包括：利用GPS确定载体的初始位置参数；采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据：根据GPS确定的经纬度值计算出对准点的重力扰动值，对加速度计的输出进行补偿；采用解析法来完成系统的粗对准，初步确定载体的姿态信息；粗对准结束后建立捷联惯性导航系统初始对准非线性状态误差方程；利用UKF滤波方法进行滤波；利用估计出来的平台失准角修正系统的捷联初始矩阵，得到精确的初始捷联矩阵，完成高精度的初始对准。本发明采用斜置陀螺不加入其它控制方式，从而不会引入新误差，解算简单，价格低廉。
【IPC分类】G01C19-00, G01C21-16
【公开号】CN104697521
【申请号】CN201510109639
【发明人】何昆鹏, 张琳, 部绍清, 黎守军, 龙耀, 许德新, 高延滨, 曾建辉, 胡文彬
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月13日