专利名称：一种提高光纤陀螺寻北仪精度的方法
技术领域：
本发明涉及导航、制导及控制领域，尤其涉及一种提高光纤陀螺寻北仪精度的方法。
背景技术：
在军事应用领域和工程测量领域，如导弹发射系统、地面雷达系统、隧道巷道修建等，都存在着自主定向需求。陀螺寻北仪作为一种精密惯性测量仪器，对精确定向，提高军用系统精度和工程效率有着至关重要的作用。光纤陀螺是一种全固态陀螺,具有稳定耐冲击、启动时间短、温度范围宽、体积小、重量轻、功耗低等特点，较机械陀螺具有非常明显的优势。因此，采用光纤陀螺的寻北仪，小型化程度更高、功耗更低、性价比更高。 光纤陀螺寻北仪的方位基准由寻北仪机箱上的基准决定。如图I所示，基准面定为寻北仪左侧面(面0ABC)，安装面定为寻北仪底面(面0XbYb)。取基准面上的0点为原点建立寻北仪基体坐标系(简称基体系)，记为b系。OXb轴垂直于基准面并指向右方，OYb轴平行于基准面和安装面并指向前方，OZb轴垂直于安装面并指向上方。同时，导航坐标系选取为当地地理坐标系，原点亦取0，记为n系，如图I所示。OXn轴指向东，OYn轴指向北，OZn轴指向天。寻北仪的姿态角分别是俯仰角0、方位角V、横滚角Y。如图I所示，俯仰角为OYb轴与水平面的夹角。方位角为OYb轴在水平面内的投影(OYb')与地理北向(OYn轴方向)的夹角。横滚角为面OABC与过OYb轴的垂面ODEF的夹角。寻北仪的全姿态是指寻北仪姿态角处于下述定义域时的所有状态方位角V的定义域为
上述这类传统的四位置寻北方法一般有以下要求(1)转位机构转过的四个位置需要严格正交，即转位机构的转角误差需要足够小。(2)忽略转位机构相对于基体系的安装误差，该误差主要指转轴和寻北仪安装面(如底面OZbYb)的不垂直程度，即转轴的方位误差。(3)光纤陀螺敏感轴和加速度计敏感轴需要平行，即光纤陀螺以及加速度计的安装误差需要严格控制，从而使加速度计测得的倾斜角为光纤陀螺的倾斜角，否则会带来寻北误差。由此可见，传统方法存在以下缺陷(1)无法完全消除转位机构的转角误差和转轴方位误差。(2)往往忽略由于光纤陀螺和加速度计的安装误差而引起的寻北解算误差。
(3)要求寻北仪各器件和机构的加工精度高，但光纤陀螺的敏感轴是虚轴，很难通过工艺保
证敏感轴的失准角，从而难以保证它与加速度计敏感轴的平行性。理论分析与实验结果表明，对于使用光纤陀螺和加速度计作为惯性测量器件的寻北仪，工作在全姿态下时，转位机构的转角误差、光纤陀螺和加速度计的敏感轴不平行以及其他安装误差所引起的寻北误差，能够达到相当于一个密位(0. 06度)的误差量级，并且会随着寻北仪倾斜角的增大而增加。因此，这些误差对于高精度全姿态寻北仪(寻北精度优于I密位)来说是必须消除的。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高光纤陀螺寻北仪精度的方法，采用全姿态下的四位置寻北方法，能够消除转位机构误差以及光纤陀螺和加速度计的安装误差造成的寻北解算误差。本发明采用的技术方案的步骤如下(I)寻北仪标定标定过程中，转位机构要求转到寻北时所需停留的各个位置。即转位机构到达第i个位置，i = I 4，分别对光纤陀螺和加速度计进行标定。光纤陀螺经过标定，得到标度因数Kf、安装误差EXFi、EYFi、EZFi。加速度计经过标定，得到标度因数Ka、安装误差EXAi、EYAi、EZAi。最终得到标度因数共2个，安装误差共计8组24个。(2)数据采集和预处理将转位机构转到第i个位置，i = I 4，测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为Fi，同时测试t秒加速度计输出值并取平均值，记为化。测试时间t由待测光纤陀螺的精度决定，具体通过Allan方差分析方法得到。最终得到光纤陀螺输出值4个，加速度计输出值4个。(3)计算基体系加速度分量基体系加速度分量Ax，AY，Aji足以下方程组，其中g(l为当地重力加速度
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K.A- -2.;」...=(EM2+C￡W2 — Ew)Ar +(Ez42 — Ezu M2(I)
Ax2+Ai2+ A22 =g0z基体系加速度方程组的求解过程为
权利要求
1.一种提高光纤陀螺寻北仪精度的方法，其特征在于，该方法的步骤如下 (1)寻北仪标定 标定过程中，转位机构要求转到寻北时所需停留的位置；即转位机构到达第i个位置， i= I 4，分别对光纤陀螺和加速度计进行标定；光纤陀螺经过标定，得到标度因数Kf、安装误差EXFi、EYFi、Ezpi ;加速度计经过标定，得到标度因数Ka、安装误差EXAi、EYAi、Ezm ;最终得到标度因数共2个，安装误差共计8组24个； (2)数据采集和预处理 将转位机构转到第i个位置，i = I 4，测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为Fi,同时测试t秒加速度计输出值并取平均值，记为Ai,测试时间t由待测光纤陀螺的精度决定，具体通过Allan方差分析方法得到，最终得到4个光纤陀螺输出值，4个加速度计输出值； (3)计算基体系加速度分量 基体系加速度分量Ax，Ay, Az满足以下方程组，其中Stl为当地重力加速度， 基体系加速度方程组的求解过程为 本方程存在两组解，分别为Ax+，Ay+，Az+和Ax-，Ay-, Az,通过下式即可确定最终解(4)计算寻北仪的俯仰角9、横滚角Y，其中g。为当地重力加速度 (5)计算基体系角速度分量 基体系角速度分量《bx， by. bZ满足以下方程组，其中为地球自转角速度， 基体系角速度方程组的求解过程为 本方程存在两组解，分别为Obx+，Wby+, 0:和Obx—，Oby—，Obz—，通过下式即可确定最终解 ￡ += I cobx+ cos 9 sin Y -coby+ sin 9 -cobz+ cos 9 cos Y + coesinO | e —=| cobs" cos 9 sin y -coby" sin Q _cobz— cos 9 cos Y + coesinO | (7)
全文摘要
本发明公开了一种提高光纤陀螺寻北仪精度的方法。该方法的步骤如下对寻北仪标定得到光纤陀螺和加速度计的标度因数和安装误差；在经过系统安装误差标定的基础上，进行四位置数据采集和预处理，然后计算基体系各轴加速度，得到寻北仪的俯仰角和横滚角；再对基体系各轴角速度进行计算和判定，最后得出寻北仪方位角。本发明消除了转位机构的转角误差和转轴方位误差所引起的寻北误差；消除了光纤陀螺和加速度计的安装误差所引起的寻北误差；降低了寻北仪工艺要求，无需再从工艺上消除安装误差，同时转位机构转过的四个位置不再需要严格正交；提高了全姿态下光纤陀螺寻北仪的寻北精度。
文档编号G01C25/00GK102735231SQ201210209028
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者刘承, 周一览, 杨建华, 楼奇哲 申请人:浙江大学