本发明涉及惯性系统，其使得限定运载器的航向、姿态、坐标和速度成为可能。
这些系统基于陀螺仪或陀螺测试仪和加速计被构建。这些各种传感器通常由通用术语惯性传感器指代。
陀螺仪是能够根据输入轴检测相对于恒星的绝对旋转的传感器。
陀螺测试仪是能够根据输入轴检测相对于恒星的绝对旋转速度的传感器。
加速计是能够根据输入轴检测相对于恒星的特定的加速度的传感器。
陀螺测试仪和陀螺仪基于用于机械传感器的旋转陀螺或振动元件的性质或基于用于光学传感器(如，激光陀螺仪或光纤陀螺测试仪)的萨格纳克(sagnac)效应被构建。
存在具有若干输入轴的陀螺仪和陀螺测试仪。存在其他陀螺仪和陀螺测试仪技术。
陀螺测试仪是机械的，并且围绕使用电磁或静电电动机被保持在空气隙的中心处的从动的质量块构件，对电动机的控制是特定的加速度的反映。
存在机械加速计，其中，质量块在位置方面不是从动的。
存在加速计，其中，质量块对振动板施加拉力/压缩力，且该振动板的频率的趋势是对加速度的测量。
还存在其他加速计技术。
在以下附图中，这些传感器仅由它们的测量输入轴表示。
陀螺测试仪和陀螺仪的主要特征在于它们的虚零。其被称为漂移，且其表示零角度(陀螺仪的情况)输入或零角速度(陀螺测试仪的情况)输入的传感器的输出值。
该漂移可随时间变化且可以被认为是噪声，其通常根据阿伦(allan)方差的曲线进行表征。
类似地，加速计的虚零(称之为偏置)是零输入加速度的传感器的输出值。
该虚零是可变的且通过其allan方差曲线表征也是标准惯例。
使得限定运载器的航向、姿态、坐标和速度成为可能的这些惯性系统通过所谓的“常平架(gimbal)”实施例或通过所谓的“捷联系统”实施例在现有技术中是已知的。
常平架系统通常由根据限定参考轴系统的正交三面体而承载了三个陀螺仪和三个加速计的核心(core)构成。该核心由三个或四个常平架轴支承。
通过陀螺仪信息稳定参考轴，该陀螺仪信息使得建立驱动常平架电动机的伺服控制命令成为可能。因此，不论运载器的移动如何，根据预先限定的取向相对于陀螺仪的现成的漂移维持参考轴。
然后，加速计可以通过保持两个参考轴指向水平面(与局部垂直方向成直角)来为该系统提供特定的方向。
当完成时，陀螺仪使得水平轴指向由地球的旋转轴限定的地理北成为可能。
在水平面中的加速计还用来构成所谓的“舒勒(schuler)”环路，使用系统外部的信息(例如，由用于船的电磁计程仪或多普勒计程仪递送的速度信息、或由用于飞机的皮托(pitot)头递送的速度信息)来阻尼该“舒勒”环路。
加速计信息使得计算地球上的移动成为可能，因此确保了搭载该系统的交通工具的导航。
常平架的角度传感器使得可以知道交通工具的姿态、并因此可以递送可用于其可能的地标领航的信息成为可能。
该信息需要使用陀螺仪和加速计，这些陀螺仪和加速计从系统被校正(输入初始位置和速度信息)时起，然后在整个导航期间都非常稳定。
实施不同技术以最小化由传感器(例如，所谓的“舒勒”阻尼环路)引起的误差的权重。
通常，对于这些经过优化的系统，仅陀螺仪的误差导致随时间增长的导航误差，且例如，比每小时0.01度更好的稳定性将基本上是必要的以实现在导航一个小时后大约1海里的位置误差。
使得这种性能成为可能的惯性传感器技术目前是是rlg(激光陀螺仪)或fog(光纤陀螺测试仪)类型的技术，这些技术的制造成本非常高。
对于加速计而言，其误差导致随时间的有边界的位置误差，且150微g的偏置稳定性足以产生1海里的位置误差。
在本文中，再一次地，仅一些惯性传感器技术(例如，制造成本非常高的最高级的伺服摆式加速计)使得实现这些性能水平成为可能。
通常在电子组件领域中的以及具体地在计算机领域中的进步(性能、功率、成本)已经使得以下成为可能：通过高速率采样来自加速计和来自陀螺仪的信息、并且通过利用计算重新构造如来源于常平架核心的稳定的“虚拟平台”，消除上述平台的常平架和角度编码装备。这些系统称为“捷联系统”。这种导航系统的成本确实已经降低，可靠性确实已经增加(较少的机械部件和较少的电气连接)，但最终这些成本依然很高，因为对于常规常平架系统来说，大多数成本是传感器的成本的结果。
技术实现要素：
本发明的主题涉及改善常规常平架系统以在利用中等性能的传感器(例如，对于陀螺仪或陀螺测试仪为每小时1度至10度，对于加速计为1mg至10mg)的同时获得最高级的导航性能水平，这因此导致了明显降低的系统成本。
为了这个目的，本发明的主题是一种运载器的惯性导航系统，该运载器包括安装在相对于所述运载器占据固定位置的三轴常平架系统上的核心，所述核心包括陀螺传感器，所述陀螺传感器使得能够根据限定参考三面体的三个轴确定所述核心的角速度，所述轴中的两个轴限定参考平面，且第三轴被选择为与所述参考平面呈直角。
根据本发明，所述系统还包括命令和控制装置，其一方面被配置为使所述核心围绕所述第三轴连续地或交替地旋转，另一方面被配置为利用由所述陀螺传感器供应的信息以及由放置在适当限定的参考平面中的加速计供应的信息，以将所述核心的所述参考平面相对于所述水平面保持在给定姿态、或至少能够确定所述参考平面相对于所述水平面的姿态，以及确定地理北在由限定所述参考平面的所述轴形成的参考系中的方向。
此外，根据本发明，还根据确定的周期来执行所述连续或交替的旋转，所述周期的值以以下方式限定：对于等于该值的观察时间，所述陀螺传感器的稳定性误差的allan方差的值低于给定值，所述给定值基于确定所述地理北所期望的精确度被限定。
根据可单独(或者必要的话结合其他布置)考虑的各种布置，根据本发明的装置可包括某些特定特征。因此，
根据特定特征，所述命令和控制装置被配置为利用由所述陀螺传感器供应的信息以及由放置在所述参考平面中的加速计供应的信息，以确定所述运载器的姿态、所述运载器的经度和纬度以及高度的地理坐标、以及所述运载器的速度向量。
根据另一特征，所述陀螺传感器包括陀螺仪和/或陀螺测试仪。
根据另一特征，限定所述参考平面的所述两个陀螺传感器根据两个呈直角的轴被取向，使得适当形成的所述参考三面体是三直角的三面体。
根据另一特征，所述命令和控制装置被配置为将所述核心的所述参考平面保持在所述水平面中，使得所述参考三面体的所述第三轴被垂直定向。
根据另一特征，常平架的一个或两个轴在旋转时固定。仅允许核心围绕与参考平面呈直角的轴旋转的所述第三轴配备有角度编码器。
本发明的另一主题是一种用于确保包括惯性导航系统的运载器的惯性导航的方法，所述运载器本身包括安装在相对于所述运载器占据固定位置的三轴常平架系统上的核心，所述核心包括陀螺传感器，所述陀螺传感器使得能够根据限定参考三面体的三个轴来确定所述核心的角速度，所述轴中的两个轴限定参考平面，且第三轴被选择为与所述参考平面呈直角。
根据本发明，所述核心根据确定的周期围绕所述第三轴连续地或交替地旋转。根据确定的周期来执行所述连续或交替的旋转，所述周期的值以以下方式限定：对于等于该值的观察时间，所述陀螺传感器的稳定性误差的allan方差的值低于给定值，所述给定值基于确定所述地理北所期望的精确度被限定。
另外，根据本发明，利用由所述陀螺传感器供应的信息以及由放置在所述参考平面中的加速计供应的信息，以便一方面将所述核心的所述参考平面相对于所述水平面保持在给定姿态、或至少能够确定所述参考平面相对于所述水平面的姿态，以及另一方面确定地理北在由限定所述参考平面的所述轴形成的参考系中的方向。
根据本发明的方法的具体布置，为了确定所述参考平面相对于所述水平面的姿态以及为了确定所述地理北在由限定所述参考平面的所述轴形成的所述参考系中的方向，执行以下操作：
获取由其测量轴位于所述参考平面的所述惯性传感器递送的经过调制的信息和由对所述第三轴的旋转进行编码的角度编码器供应的信息；
生成驱动与所述第三轴呈直角的常平架电动机的命令，以确定和控制所述参考平面的纵倾、并且以基于来自由所述第三轴负担的所述陀螺传感器的信息使所述第三轴旋转，所述命令基于使用所述常平架的旋转轴中的矩阵投影的所述信息而生成；
确定由所述陀螺传感器和其测量轴位于所述参考平面中的所述加速计递送的信号的调制的相位和幅度，所述调制的相位限定关于所述测量轴相对于所述地理北的取向角的信息，所述调制的幅度限定关于所述当地纬度的角度的信息、根据当地子午线以及当地平行线的速度的信息、和通过积分的在这些方向中的移动的信息；
基于来自于所述常平架轴的所述角度编码器的数据，计算所述运载器的纵倾。
附图说明
研究图1至4将更好地理解本发明，其中：
图1为具有三个常平架轴的平台的示例；
图2为allan方差曲线的示例；
图3为根据本发明的确定施加在核心上的旋转速度的原理的说明；
图4为两个曲线，其分别示出来自于布置在参考平面中的陀螺传感器的信号的形式和来自于布置在与核心的参考平面呈直角的轴上的角度编码器的信号的形式。
具体实施方式
图1示出了现有技术中已知的具有三个常平架轴的结构的平台的示例，其中使用三个陀螺仪或陀螺测试仪以及三个加速计。这种平台可自然地用来实施本发明。
具有在横摇轴上产生冗余的第四常平架轴的配置通常用于具有高动态范围的应用(例如，用于飞机)。
这种配置使得可以具有横摇轴或方位轴的信息冗余，所述冗余允许运载器执行移动，其中，在任何时刻，常平架轴不在理论上对它们禁止的方向(例如横摇轴，其在飞机环线期间可能与局部垂直混淆)上对齐。
然而，本文呈现的三轴配置足以理解本申请文件中描述的发明，即，其范围可容易地扩展到冗余系统的发明。
在示出的图1中，gh1、gh2、ah1、ah2分别是限定系统的参考平面的陀螺传感器和加速计。对于gz和az而言，它们分别是链接到与参考平面呈直角的轴、或方位轴、或垂直轴的陀螺传感器和加速计。
陀螺仪使得以下成为可能：通过使用方位电动机、横摇和纵摇电动机来控制常平架的角度以稳定核心的纵倾和方位，其因此对运载器的移动不敏感，且加速计使得以下成为可能：通过生成用于陀螺传感器、陀螺仪或陀螺测试仪的旋转命令，来校正形成参考平面的轴1和2的水平状态。
常平架的轴配备有角度编码器和电气链接，其允许通过回转接触或行进受限情况下(对于用在船上的惯性导航系统，通常发生在纵摇轴上，但是也发生在横摇轴上)的柔性链接、或将摩擦扭矩限制到严格最小值的任何其他适当的技术手段使信号通过。
由这些角度编码器返回的信息具体用于计算对通过使核心稳定的伺服控制链网络而从核心的传感器到常平架电动机的信息的投影，并且用于例如为了地标领航的目的而递送运载器的纵倾及其航向。
惯性系统执行的主要功能之一是限定相对于地理北的航向。
根据现有技术，陀螺仪gz使以下成为可能：为了使例如gh2、ah2取向为北而使核心围绕方位轴旋转。
在这种情况下，gh1由于其取向为东或西而检测到地球的旋转的投影为零，且任何偏差使得校正取向为北的取向误差成为可能。
然而，获得的性能直接链接到gh1的漂移。
类似地，ah1和ah2使得为参考平面中的轴取向成为可能，且任何加速偏置引起误差。
ah1的测量误差引起地球的旋转的垂直分量的假的投影，这因此生成取向为北的取向误差。
因此，除了其他方面以外，系统的性能链接到陀螺仪gh1的残余漂移和加速计ah1的残余虚零，这两者均假设为取向为东。
通常，传感器的噪声由allan方差曲线表征。该曲线涉及根据观察时间范围的噪声的标准差或方差。
图2是针对一般惯性传感器获得的allan方差曲线的示例。
如图2所示，allan方差根据观察时间变化且包括特性下降，其通常称为allan方差的下降或低点。
下降的右边且因此针对长的观察时间观察到的不稳定性通常是传感器对温度和其随时间变化而波动的敏感性的结果。
通常，在低点处获得的值和针对非常长的时间获得的近似值之间的一个或两个数量级被观察到。
在高性能导航系统上使用的rlg或fog具有长时间下接近于每小时0.01度的近似值。
对于策略类中等陀螺仪而言，它们针对这些相同时间实现为每小时1度至10度，因此不能实际用于生产最高级的导航系统。这同样适用于加速计。
本发明的一个特征以新颖的方式包括利用针对考虑的传感器的类型的确定的观察时间特性而出现的该低点，而不是利用如根据现有技术的系统中的针对长时间观察的传感器的性质。
因此，如果p表示稳定性方面(有必要维持该稳定性以获得最高级的导航系统)的传感器性能，则allan方差的低点与例如每小时几个0.01度或100微g一致的传感器对于该用途变得合格，凭借之前已经陈述的，这使得前述属于策略中等的传感器中的一些变得具有资格。
对此，垂直陀螺仪gz用于驱动核心围绕垂直轴旋转，如图3所示，旋转速度ω0与位于传感器的方差的下降的区域中的观察周期t0一致。ω0由以下公式限定：
ω0[rad/s]＝k×2πt0
根据对至地理北的角度的估计和对运载器的纬度和当地经度的估计，针对系统对参数k的值进行优化以满足系统的规定。
如图3所示，pg与陀螺仪gh1和/或gh2的allan方差曲线的交叉提供了观察时间窗，优先在该观察时间窗内选择t0的值。pg表示allan方差的最高值，其使得能够获得确定地理北所期望的精确度。该窗对应于方差足够低的范围以获得所寻求的惯性性能水平。
t0的其他值也是可能的，这取决于期望的性能水平和优化的类型。
在这不是独有的情况下，gz的输出优先对ω0进行伺服控制，这意味着在伽利略(galilean)意义上核心围绕垂直轴旋转的绝对速度等于ω0。
图4示出两个曲线，这两个曲线分别示出：来自于布置在参考平面中的陀螺传感器、并且指示在核心旋转时由该传感器测得的角位置的变化的信号的形式；以及来自于布置在与核心的参考平面呈直角的轴上的角度编码器的信号的形式，该信号表示由该编码器测得的角位置相对于给定参考轴(例如，该陀螺传感器的参考轴)的变化。
这些曲线说明以下事实：由核心的参考平面的传感器递送的信息由调幅电信号承载，其中，该调幅电信号的周期对应于核心的旋转速度，该调幅电信号的最大幅度是所考虑的纬度的函数。
例如，假设陀螺传感器gh1和gh2具有足够的精度来测量地球的旋转，陀螺传感器gh1和gh2的输出是正弦曲线，其具有等于在所考虑的纬度处的地球的旋转的值的幅度。
因此，通过具体地在由布置在与参考平面呈直角的轴(方位旋转轴)上的编码器供应的信号与时间轴交叉(零点交叉)时测量这些信号的时间相位和将它们分开的时间偏差，对这些调制的信号的观察使得能够比较通过北、南、东和西方位基点时指向的方向与由方位轴的角度编码器指示的方向。通过实施例如滤波类型的简单数学处理，对偏差的测量使得能够以非常低的误差确定航向。
因此获得了增强了若干数量级的性能水平，其不是来源于使用具有极度固有稳定性的传感器，而是来源于使用可预测的和可容易复制的物理特性。
本发明的原理因此包括例如通过数字滤波来对由所考虑的陀螺传感器递送的信号(嵌入到传感器的一般噪声中的正弦测量信号)进行滤波，所实施的滤波器是以核心的旋转的周期q为中心的带通滤波器。这种滤波有利地使得能够：消除位于感兴趣的带之外的噪声，使得所获得的信号是受对应于传感器随时间的漂移的残余噪声影响的正弦信号；当正弦曲线的频率接近allan方差的下降且该下降为低时，该噪声全都较低。
换句话说，在本发明的上下文中实施的原理包括使用核心的旋转来消除传感器的带外噪声，同时仅通过选择链接到allan曲线的形式的操作点来使不能被滤波通带滤波的带内噪声最小化。
该操作原理可通过使用各种类型的惯性系统来实现，所述惯性系统具有与运载器相比更多或更少数量的自由度的核心的，其中可执行核心围绕与参考平面呈直角的轴的旋转，所述参考平面由沿两个不同轴取向的两个陀螺传感器限定，并且可测量核心围绕该轴的旋转的编码器能够执行角度测量。
根据期望的成本和性能水平当然可设想装置的不同的可能的变体，例如其具有较少数量的传感器、或使用不同陀螺仪或陀螺测试仪技术以及不同的加速计技术。凭借之前解释的原理，这些不同的变体通常共同具有以下事实：能够利用具有平均性能的传感器来获得强大的系统。
因此，可以混合这些技术，并且在一些情况下，在一个且相同技术内，根据混合这些技术所造成的优点来混合陀螺仪或陀螺测试仪。
还可以使用陀螺传感器作为陀螺仪直到一定频率并且在超过该频率时作为陀螺测试仪。
也可以不对与参考平面呈直角的方位轴施加连续旋转，而是施加交替旋转，例如，梯形形式的旋转，其中围绕垂直轴的移动是具有预先限定角度移动的往复式旋转，以优先考虑沿着东西轴或离散数量的预先限定的轴(例如，东轴、西轴、北轴和南轴)对参考平面的轴的观察时间。
此外，可以设想大量不同的旋转模式，上述连续旋转或梯形形式的旋转是具体情况。
可使用外部速度信息(例如，gps、计程仪、里程表、多普勒雷达或风速表)执行阻尼schuler振荡的阻尼，已知这破坏核心的纵倾的稳定性和由惯性单元递送的信息。外部加速计还使得能够确定该阻尼。
如果考虑上述所有变体，则可见可以通过使用布置在参考平面中的核心中的单个加速计、凭借核心的旋转产生根据本发明的最小系统。
然而，可使用布置在该相同平面中的与第一加速计呈直角的第二加速计以及与参考平面呈直角布置的沿着方位轴的第三加速计。
此外，可在系统外布置一个、两个或三个加速计以根据布置在核心上的加速计的数量的函数并根据系统递送的信息(例如，姿态、航向和导航)的量，产生schuler振荡的阻尼。
同样地，仅布置在垂直轴上的角度编码器对于功能被降低至供应航向的系统(例如，对于陀螺罗经)是必要的。然而，在系统用作航向和姿态系统的情况下，可设想存在纵摇轴和横摇轴(见图1)上的角度编码器。
考虑和处理由布置在参考平面中的系统的(一个或多个)加速计生成的信息(如，航向或姿态)、命令还可以使得能够限定运载器的位置和速度(如在导航系统的情况下)。
具有沿参考平面取向的输入轴、且用于其与导航系统所期望的精确度兼容的低allan方差点的单个陀螺仪或陀螺测试仪对于获得对水平面中的旋转的观察是必要的，这从长期来看是强大的。
具有沿参考平面取向的输入轴、且与第一陀螺仪或陀螺测试仪呈直角布置的第二陀螺仪或陀螺测试仪对于确保对核心沿着水平面的取向的短期控制是必要的。然而，其稳定性性能可以较低。
同样地，根据直角产生传感器的三面体是不必要的，并且可以是不同的配置，条件是它们能够重新构造三维移动。
当假设为水平的传感器不与垂直传感器呈直角时，除了核心围绕水平面旋转之外，它们还检测核心的旋转在垂直轴上的投影。
该选项可以是有利的以减少特定于某些传感器技术的某些缺陷：例如，激光陀螺仪的盲区或振动陀螺仪的平均漂移。
该方法自然落入本发明的范围内，因为即使由围绕方位轴旋转的投影所产生的连续旋转的注入有助于通过降低这些明显特定缺陷来降低该低点，allan方差的低点由于其带来正确的东西而仍被利用。
基于本发明限定的旋转的原理或振荡的原理的实施例也是可以实现的，其中具有常平架的平台的横摇轴和纵摇轴被固定或被消除，并且其中核心仅围绕其方位轴旋转。
在这种情况下，可以使用由核心负担的传感器(陀螺传感器和(一个或多个)加速计)递送的经过调制的信息来重新构造虚拟平台并因此还原为用于导航系统的平台的情况。
最终，基于本发明限定的旋转的原理或振荡的原理的实施例也是可以实现的，其中承担核心的回转板被固定到具有常平架的常规平台的方位轴。
然后，在具有冗余方位轴的四轴配置的情况下，可以使用来自于由回转板承担的传感器的信息来重新构造对系统必要的所有信息，该对系统必要的所有信息来自于通过施加至核心的板的旋转或振荡进行调制的来自于传感器的信号。
凭借上述原理，能够使用平均性能的传感器获得强大的系统。
本发明的典型的示例性实施例包括使用安装在具有三个轴的常平架系统上的核心，该核心包括三个陀螺传感器、陀螺仪或陀螺测试仪，其测量轴根据正交三面体取向，该系统设置有将核心的参考平面保持在水平面的装置。以此方式，与参考平面呈直角的轴线保持垂直。
核心还包括至少一个加速计，其测量轴与垂直轴呈直角且包含在参考平面中。
因此，该装配构建了具有由常平架的三个轴负担的惯性传感器(陀螺传感器和(一个或多个)加速计)的核心，其中常平架的一个轴基于由垂直陀螺测试仪供应的测量而惯性旋转。选择围绕垂直轴旋转的频率，使得经过大约一个旋转周期，限定参考平面(与水平面一致)的两个陀螺测试仪中的一个的漂移的短期不稳定性最小化。
从加速计获得的测量使得能够在运载器正在移动时，供应用于将核心保持在水平纵倾上的信息。
从限定参考平面的两个陀螺传感器中获得的信息表现为信号的形式，该信号凭借测量轴水平放置的这两个传感器上的地球旋转的水平分量的动作被调制。他们使得能够识别相对于地理北的取向。
对于由常平架轴负担的角度传感器(编码器)而言，它们供应信息，这使得能够递送关于运载器的航向和姿态的信息。
因此，由陀螺测试仪供应的信息使得能够建立运载器的纬度，并且由加速计供应的信息使得能够建立当地经度。