专利名称：基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法
技术领域：
本发明涉及一种陀螺经纬仪定位与定向的方法。特别是涉及一种能 够实现陀螺经纬仪自动粗寻北的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法。
背景技术：
陀螺经纬仪是一种全天候自主定向的精密测量仪器，在军事、远程武器发射、航天、矿山、铁道、森林、建筑、海洋和测绘等部门得到广泛应用。随着科技进步和国防建设的迅速发展，对陀螺经纬仪定向技术的要求愈来愈高，尤其要满足快速精密定向的需要。在定向过程中，不论精密观测采用哪种方法，都要求把经纬仪望远镜视准轴置于近似北方，称为初寻北。以往的初寻北方法通常采用两个逆转点法或电子罗盘定位法。两个逆转点法需要跟踪至少四分之三的陀螺运动周期，观测时间在6 10分钟。而电子罗盘定位则是依靠地磁感应，因此受磁场及铁磁性金属的影响非常严重，适用场合受到极大限制。因此先进高效的初寻北方法对于陀螺经纬仪精密快速定向具有重要意义。在理想条件下，陀螺的运动方程是正弦曲线或衰减的正弦曲线，陀螺仪寻北的很多方法都是以此为依据推导出的。以往的很多精寻北算法，例如中天法，只适用于陀螺仪照准部位于距真北士30'的范围内，陀螺绕分划板零刻线往返摆动时的小角度精密定向。当陀螺照准部偏离真北较远时，运动轨迹不经过分划板零刻线，此时该方法则失效。因此寻求大角度即任意初始方位的定向公式十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用传感模块采集陀螺开始摆动后的一小段数据，通过非线性拟合预测出整个周期信息从而计算出寻北结果，能够实现陀螺在任意初始方位初寻北要求的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法。本发明所采用的技术方案是一种基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，利用曲线趋势模型进行预测，要使欠周期的光标数据通过趋势预测实现快速寻北，首先要模拟出陀螺仪的运动模型，再根据该模型对欠周期数据进行趋势预测，具体包括如下步骤1)首先对整周期陀螺摆动的光标数据进行曲线拟合，采用基于最小二乘原理的正弦一般方程拟合，建立非线性正弦拟合模型y = Asin(2 π/T*t+<j5)+d (1)式中，y为光标的运动位置，A为光标的摆动振幅，T为陀螺不跟踪摆动周期，Φ为光标摆动相对于真北方向的初相位，d为光标摆动中心与参考零点的偏移量，即平衡位置；2)通过CCD采集的整周期光标位置信息进行数据拟合实验，拟合过程通过最小化残差平方和的方法获得4个待定参数Α、Τ、Φ、d的值；3)利用上述陀螺拟合模型进行趋势预测实验，将寻北时间拟定为陀螺摆动后 56s，相当于1/8陀螺摆动周期进行整周期函数预测，数据采集频率为12. 5Hz，因此取700个数据按步骤1所建立的非线性正弦拟合模型进行拟合。
取T作为常量参与计 算。参与预测的数据点的多少，耗时的长短与精度成正比。本发明的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，通过非线性拟合对短时间内陀螺运动数据进行整周期趋势预测，根据获取的整周期的峰峰值信息利用任意初始方位定向公式计算寻北结果。本发明利用多级联合步进逐渐逼近真北，实现了陀螺在任意初始方位均能在56s观测时间内达到距真北方位士30'的范围内，大大缩短了陀螺自主定向的初寻北时间，对于实现陀螺仪高精度快速寻北具有重要意义。
图1是陀螺光标运动轨迹。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法做出详细说明。图1为通过上位机接收的通过CCD传感器采集的陀螺摆动过程中的光标数据，其中，纵轴所示的摆角为光标投影在CCD光敏面上的像素值。如图1所示，光标摆幅的最大值和最小值分别为al和a2，平衡位置L与零刻线的偏差Aa为al和a2的平均值。因此，已知零刻线位置，只要确定光标一个周期内的摆幅， 即峰峰值信息，就可计算出偏离真北的夹角。此方法即使在运动曲线与零刻线无交点的情况下，即偏离真北较大角度时同样适用，为陀螺任意初始角度的定向提供了依据。要得到陀螺运动曲线的峰峰值信息，通常需要获取陀螺运动的整周期数据，从而计算出寻北结果。由于快速寻北及任意初始方位初寻北的要求，本发明提出了通过采集短时间内陀螺光标运动数据进行整周期趋势预测的方法。本发明的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，是利用曲线趋势模型进行预测的方法，要使欠周期的光标数据通过趋势预测实现快速寻北，首先要模拟出陀螺仪的运动模型，再根据该模型对欠周期数据进行趋势预测。具体包括如下步骤1)首先对整周期陀螺摆动的光标数据进行曲线拟合，采用基于最小二乘原理的正弦一般方程拟合，建立非线性正弦拟合模型y = Asin(2 π/T*t+<j5)+d (1)式中，y为光标的运动位置，A为光标的摆动振幅，T为陀螺不跟踪摆动周期，Φ为光标摆动相对于真北方向的初相位，d为光标摆动中心与参考零点的偏移量，即平衡位置。2)通过CCD采集的整周期光标位置信息进行数据拟合实验，拟合过程通过最小化残差平方和的方法获得4个待定参数Α、Τ、Φ、d的值。3)利用上述陀螺拟合模型进行趋势预测实验，将寻北时间拟定为陀螺摆动后 56s，约1/8陀螺摆动周期进行整周期函数预测。数据采集频率为12. 5Hz，因此取700个数据按步骤1所建立的非线性正弦拟合模型(1)进行拟合。实践证明，待估计参数的个数是影响预测精度的一个重要因素，因此应尽量减少不确定参数。由于本地T实测为480s，因此将T作为常量参与计算。通过实验得知，参与预测的数据点越多，精度越高，耗时越长，可增加或减少采集的数据量，以满足对寻北时间和精度的不同要求。例如将陀螺仪置 于相对真北0°不同角度的初始方位进行趋势预测实验。由于任意角度快速初寻北的需要，每个位置仅采集陀螺正常摆动后的前150 200个数据左右，按步骤 1所建立的非线性正弦拟合模型y = Α8 η(2π/Τ^+Φ)+(1进行拟合，从而求出平衡位置 d。特别要注意稳定地控制下放速度，以避免大角度寻北时陀螺扭转速度过快，瞬时超出分划板规定测量范围而导致危险。当陀螺仪照准部进入距真北士6°范围内，再在每个位置仅采集陀螺正常摆动后的前150 200个数据左右，按步骤1所建立的非线性正弦拟合模型y = Asin(2 π / T*t+Φ)+d进行拟合，从而求出平衡位置d，其寻北精度可达到士30'范围，即精寻北所需的初寻北精度。由此，提出分段作业的多级步进寻北的测量方法。当陀螺照准部位于任意初始方位时，利用趋势预测法首先确定大概方位后迅速跟踪到新位置进行二次预测，依次类推，直到寻北结果进入士6°范围内，再经过一次预测寻北即达到初寻北要求。另外，由于以士90°为界线的南北两侧也具有重复性，因此测量结果需要辨别该角度所处区域在士90°以内还是士90°以外。即每个方位的测量至少需要两次预测， 如二次位置预测的结果较前一次逼近真北，则表示该方位处于士90°以内，反之，则位于士90°以外。经过推算可知，在士30°范围内只需至多两次预测即可实现初寻北，士60° 范围内至多三次预测即可实现初寻北，士90°范围内至多四次预测即可实现初寻北。如果已判断在士90°以外，可大角度跟进，跟进到位后再次测量即可达到初寻北要求。因此总结测量方法，不计跟进时间，每级观测仅需要平均14s时间，一般至多需要四次测量即可达到初寻北要求，因此该方法至多需要56s观测时间即可达到测量要求，大大提高了初寻北的工作效率。
权利要求
1.一种基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，其特征是利用曲线趋势模型进行预测，要使欠周期的光标数据通过趋势预测实现快速寻北，首先要模拟出陀螺仪的运动模型， 再根据该模型对欠周期数据进行趋势预测，具体包括如下步骤1)首先对整周期陀螺摆动的光标数据进行曲线拟合，采用基于最小二乘原理的正弦一般方程拟合，建立非线性正弦拟合模型y = Asin(2 π/T*t+<j5)+d (1)式中，y为光标的运动位置，A为光标的摆动振幅，T为陀螺不跟踪摆动周期，Φ为光标摆动相对于真北方向的初相位，d为光标摆动中心与参考零点的偏移量，即平衡位置；2)通过CCD采集的整周期光标位置信息进行数据拟合实验，拟合过程通过最小化残差平方和的方法获得4个待定参数Α、Τ、Φ、d的值；3)利用上述陀螺拟合模型进行趋势预测实验，将寻北时间拟定为陀螺摆动后56s，相当于1/8陀螺摆动周期进行整周期函数预测，数据采集频率为12. 5Hz，因此取700个数据按步骤1所建立的非线性正弦拟合模型进行拟合。
2.根据权利要求1所述的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，其特征在于，取T作为常量参与计算。
3.根据权利要求1所述的基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，其特征在于，参与预测的数据点的多少，耗时的长短与精度成正比。
全文摘要
一种基于趋势预测的陀螺仪快速初寻北方法，利用曲线趋势模型进行预测，要使欠周期的光标数据通过趋势预测实现快速寻北，首先要模拟出陀螺仪的运动模型，再根据该模型对欠周期数据进行趋势预测，本发明通过非线性拟合对短时间内陀螺运动数据进行整周期趋势预测，根据获取的整周期的峰峰值信息利用任意初始方位定向公式计算寻北结果。本发明利用多级联合步进逐渐逼近真北，实现了陀螺在任意初始方位均能在56s观测时间内达到距真北方位±30′的范围内，大大缩短了陀螺自主定向的初寻北时间，对于实现陀螺仪高精度快速寻北具有重要意义。
文档编号G01C19/00GK102175210SQ20111002711
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者宋乐, 林玉池, 董桂梅, 黄银国, 齐永岳 申请人:天津大学