CN103759743A - 惯性测量装置方位基准传递装置及大倾角时方位确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及惯性测量装置方位基准传递装置及大倾角时方位确定方法，包括结构工装、直角棱镜组件和配套紧固件；以结构工装上某点为原点建立三维坐标系，其中纵轴Xb、竖轴Yb、横轴Zb，结构工装包括方柱状本体、分别设置在方柱状本体两端的两个腰形孔；腰形孔的轴向与纵轴Xb平行；结构工装的其中两个侧面上设置有相互垂直的第一基准面和第二基准面，第一基准面与纵轴Xb和横轴Zb构成的平面平行，第二基准面与横轴Zb和竖轴Yb构成的平面平行且与棱镜相对。本发明解决了现有方法增加惯性测量装置制造成本、寻找方位角存在误差的技术问题，本发明装置及方法可为检测惯性测量装置的定向精度或向惯性测量装置传递外部测量的方位基准信息。

Description

惯性测量装置方位基准传递装置及大倾角时方位确定方法
技术领域
本发明涉及惯性测量装置方位基准传递装置及大倾角时方位确定方法。
背景技术
为检测惯性测量装置的定向精度或向惯性测量装置传递外部测量的方位基准信息，传统方法是在每套产品上嵌入直角棱镜组件，并调整直角棱镜组件与惯性测量装置本体坐标系平行，使用时要求惯性测量装置近似水平放置，远距离架设高精度陀螺指北仪，调整光电经纬仪与惯性测量装置准直后开始寻北，利用陀螺指北仪的寻北结果直接或经过近似修正后作为惯性测量装置的方位角。修正公式为：
Ψbr=Ψc+tan-1(tan(γb)*tan(θc))................（1）
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”，
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值（北偏西为正），
γb为惯性测量装置的横滚角，
θc为陀螺指北仪测量时的经纬仪光管仰角。
该方法的缺点，一是当棱镜装置仅用于产品精度检测时，其增加了惯性测量装置制造成本；二是当惯性测量装置存在较大倾斜角时，利用陀螺指北仪的寻北结果直接作为惯性测量装置的方位角，或利用修正公式计算结果作为惯性测量装置的方位角，都存在误差。例如，当γb=1.0°，θb=1.0°（惯性测量装置的俯仰角），θc=1.0°时，上述修正公式的误差约为1′。
发明内容
为了解决现有方法增加惯性测量装置制造成本、寻找方位角存在误差的技术问题，本发明目的是提供一种惯性测量装置方位基准传递装置及大倾角时方位确定方法，该装置及方法可为检测惯性测量装置的定向精度或向惯性测量装置传递外部测量的方位基准信息。
本发明的技术解决方案是：
一种惯性测量装置方位基准传递装置，其特殊之处在于：包括结构工装、直角棱镜组件和配套紧固件；以结构工装上某点为原点建立三维坐标系，其中纵轴Xb、竖轴Yb、横轴Zb，
所述结构工装包括方柱状本体4、分别设置在方柱状本体4两端的两个腰形孔5；所述腰形孔的轴向与纵轴Xb平行；所述结构工装的其中两个侧面上设置有相互垂直的第一基准面6和第二基准面，其中第一基准面6与纵轴Xb和横轴Zb构成的平面平行，第二基准面与横轴Zb和竖轴Yb构成的平面平行且与棱镜相对。
所述直角棱镜组件包括棱镜工装2和直角棱镜1；所述棱镜工装设置在方柱状本体4上，所述直角棱镜的工作面与横轴Zb和纵轴Xb构成的平面平行；所述直角棱镜1被配套紧固件3固定在棱镜工装2上。
上述基准面分成两部分，对称分布在结构工装中轴线的两侧。
上述棱镜工装设置在方柱状本体4的中部。
上述配套紧固件3包括紧固螺钉、垫圈和垫片。
一种惯性测量装置大倾角时方位确定方法，包括以下步骤：
1】将被测物体的基准面与方位基准传递装置的第二基准面靠紧，调整方位基准传递装置，使OZ轴与当地水平面平行，然后将方位基准传递装置与被测物体固定，保持二者静止；
2】通过陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与直角棱镜准直；
3】陀螺指北仪开始寻北，寻北结果即为被测物体纵向轴指示的地理方位角，计算公式为：
Ψbr=Ψc
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”；
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值，定义北偏西为正。
一种惯性测量装置大倾角时方位确定方法，包括以下步骤：
1】将被测物体基准面靠紧方位基准传递装置且使得该被测物体基准面与OX轴垂直，调整方位基准传递装置，使第一基准面与被测物体上基准面平行，然后将被测物体与方位基准传递装置固定，保持二者静止；
2】通过陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与直角棱镜准直；
3】陀螺指北仪开始寻北，依靠其提供的瞄准直角棱镜光线的地理方位角、瞄准直角棱镜光线仰角，以及方位基准传递装置纵倾角和横倾角，确定方位基准传递装置纵向轴指示的地理方位角，计算公式如下：
Ψbr=Ψc+sin-1(tanθctanγbcosθb-tanγbsinθb)
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”，
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值,定义北偏西为正，
θb为惯性测量装置的俯仰角，
γb为惯性测量装置的横滚角，
θc为陀螺指北仪测量时的经纬仪光管仰角。
本发明方位基准传递装置所具有优点：
1、采用外置式结构，从惯性测量装置脱离，降低了惯性测量装置成本，便于携带、维护。
2、具有通用性，只要被测物体具有定位面，机械安装接口与方位基准传递装置相匹配，则能够使用该装置传递方位基准。
3、方位基准传递装置具有两个正交基准面和腰形孔，易于调整其ozb轴与当地地理水平面平行或与被测物体横轴平行。
4、方位基准传递装置增加倾角传感器、测量电路、电子计算部件、信息交互接口，并集成方位计算方法后，可制造出数字化姿态和方位基准设备。
本发明大倾角时的方位确定方法的优点：
1、精度高，采用精确数学计算方法，其完整计算公式能够消除近似公式带来的误差及方法误差。
2、提供了两种测试方法，其中与地理水平面平行方法能够直接传递纵向轴方位，无需二次转换；与被测物体平行方法则可以避免被测物体姿态变化后再次调整方位基准传递装置，节省操作时间。
3、该方法适用于被测物体存在大倾斜角度时的方位基准传递，光管仰角、方位基准传递装置的倾角可达到30°以上，增加了方位基准传递装置的适用范围。
4、该方法随方位基准传递装置安装方式和位置而变化，能够使用其安装在被测物体纵向轴正向和负向等多个方向。
5、该方法可以不依附于方位基准传递装置，当惯性测量装置使用嵌入式棱镜组件时，该方法同样可以确定其大倾角时的方位基准。
附图说明
图1是方位基准传递装置结构示意图；
图2是各角度关系一种示意图；
图3是各角度关系另一种示意图
其中附图标记为：1-直角棱镜，2-棱镜工装，3-配套紧固件，4-方柱状本体，5-腰形孔，6-基准面，Xb-纵轴，Yb-竖轴，Zb-横轴。
具体实施方式
如图1所示，一种惯性测量装置方位基准传递装置，包括结构工装、直角棱镜组件和配套紧固件；在结构工装上建立三维坐标系Xb、Yb、Zb，其中三维坐标系的原点在结构工装上，结构工装包括方柱状本体4；结构工装的其中两个侧面上设置有相互垂直的基准面，其中一个基准面与纵轴Xb和横轴Zb构成的平面平行，另一个基准面与横轴Zb及竖轴Yb构成的平面平行；（即与直角棱镜相对的一面。）直角棱镜组件包括棱镜工装2和直角棱镜1；棱镜工装设置在方柱状本体4上，直角棱镜的工作面与横轴Zb及纵轴Xb构成的平面平行；直角棱镜1被配套紧固件3固定在棱镜工装2上。
基准面分成两部分，对称分布在结构工装中轴线的两侧，且两部分之间的间距稍大于直角棱镜的宽度。棱镜工装设置在方柱状本体4的中部。配套紧固件3包括紧固螺钉、垫圈和垫片。
方位基准传递装置用于辅助测量被测物体的地理方位角，依靠外部基准测量信息，经过精确计算，能够将外部方位基准传递、转换为被测物体的地理方位角。
方位基准传递装置由直角棱镜组件、结构工装和配套紧固件组成，由精密加工的两个高精度基准面确定其测量基准坐标系（三维坐标系Xb、Yb、Zb），方柱状本体4两端均设置有腰形孔5；腰形孔的轴向与纵轴Xb平行；通过外部提供的瞄准棱镜光线的地理方位角、瞄准棱镜光线仰角、方位基准传递装置纵倾角、方位基准传递装置横倾角，经过数学计算，确定方位基准传递装置在大倾角情况下其纵向轴指示的地理方位角。
方位基准传递装置结构示意图如图1所示底部为基准面，腰形孔用于被测物体倾斜时进行水平测试，各角度关系如图2、图3所示。
方位基准传递装置的关键是直角棱镜组件及其测量基准坐标系的建立。方位基准传递装置的关键技术在于当被测物体存在大角度纵向和横向倾斜时计算被测轴向方位角的方法，测试方法不同需要的外部测量信息、方位角计算方法也不同。
测试方法一：
1】将被测物体的基准面与方位基准传递装置的第二基准面靠紧，调整方位基准传递装置，使OZ轴与当地水平面平行，然后将方位基准传递装置与被测物体固定，保持二者静止；
2】通过高精度陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整高精度陀螺指北仪与棱镜准直；
3】高精度陀螺指北仪开始寻北，寻北结果即为被测物体纵向轴指示的地理方位角。计算公式为：
ψbr=ψc
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”，
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值（北偏西为正）。
应用测试方法一时的安装方式，将方位基准传递装置定位面与被测物体纵向轴负向定位面靠紧，调整方位基准传递装置，使其测量坐标系与当地水平地理坐标系平行，然后将方位基准传递装置与被测物体固定，保持二者静止。外部通过高精度陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整其与棱镜准直后开始寻北，高精度陀螺指北仪寻北结果即为被测物体纵向轴指示的地理方位角。
测试方法二：
测试过程与方法一基本相同，差别是方法二要求方位基准传递装置测量坐标系与被测物体坐标系平行，计算被测物体纵向轴地理方位角地理方位角时需要提供瞄准棱镜光线的地理方位角、瞄准棱镜光线仰角、方位基准传递装置纵倾角、方位基准传递装置横倾角。具体步骤如下：
1】将被测物体基准面靠紧方位基准传递装置且使得该被测物体基准面与OX轴垂直，调整方位基准传递装置，使第一基准面与被测物体上基准面平行，然后将被测物体与方位基准传递装置固定，保持二者静止。其中被测物体基准面与被测物体上基准面相互垂直；
2】通过陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与直角棱镜准直；
3】陀螺指北仪开始寻北，依靠其提供的瞄准直角棱镜光线的地理方位角、瞄准直角棱镜光线仰角，以及方位基准传递装置纵倾角、方位基准传递装置横倾角，确定方位基准传递装置纵向轴指示的地理方位角，计算公式如下：
Ψbr=Ψc+sin-1(tanθctanγbcosθb-tanγbsinθb)
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”，
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值,定义北偏西为正，
θb为惯性测量装置的俯仰角，
γb为惯性测量装置的横滚角，
θc为陀螺指北仪测量时的经纬仪光管仰角。
采用测试方法二时，计算被测物体纵向轴指示的地理方位角的近似计算公式见公式（2），该式能够保证被测物体倾角和光管仰角不大于10°时的方位计算误差小于0.3′。
Ψbr=Ψc+sin-1(tanθctanγbcosθb-tanγbsinθb)……………（2）
应用测试方法二时的安装方式，将方位基准传递装置定位面与定位定向装置（被测物体）纵向轴负向定位面靠紧，调整方位基准传递装置，使其上基准面与定位定向装置横轴平行，然后将方位基准传递装置与定位定向装置固定，保持二者静止。通过定位定向装置自主寻北提供俯仰角和横滚角，通过高精度陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与棱镜准直后开始寻北，记录陀螺指北仪的寻北结果、光管仰角，根据大倾角时的方位确定方法计算定位定向装置纵向轴指示的地理方位角。

Claims (6)

1.一种惯性测量装置方位基准传递装置，其特征在于：包括结构工装、直角棱镜组件和配套紧固件；以结构工装上某点为原点O建立三维坐标系，其中纵轴Xb、竖轴Yb、横轴Zb，
所述结构工装包括方柱状本体（4）、分别设置在方柱状本体（4）两端的两个腰形孔（5）；所述腰形孔的轴向与纵轴Xb平行；所述结构工装的其中两个侧面上设置有相互垂直的第一基准面（6）和第二基准面，其中第一基准面（6）与纵轴Xb和横轴Zb构成的平面平行，第二基准面与横轴Zb和竖轴Yb构成的平面平行且与棱镜相对；
所述直角棱镜组件包括棱镜工装（2）和直角棱镜（1）；所述棱镜工装设置在方柱状本体（4）上，所述直角棱镜的工作面与横轴Zb和纵轴Xb构成的平面平行；所述直角棱镜（1）被配套紧固件（3）固定在棱镜工装（2）上。
2.根据权利要求1所述的惯性测量装置方位基准传递装置，其特征在于：所述基准面分成两部分，对称分布在结构工装中轴线的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的惯性测量装置方位基准传递装置，其特征在于：所述棱镜工装设置在方柱状本体（4）的中部。
4.根据权利要求3所述的惯性测量装置方位基准传递装置，其特征在于：所述配套紧固件（3）包括紧固螺钉、垫圈和垫片。
5.一种惯性测量装置大倾角时方位确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】将被测物体的基准面与方位基准传递装置的第二基准面靠紧，调整方位基准传递装置，使OZ轴与当地水平面平行，然后将方位基准传递装置与被测物体固定，保持二者静止；
2】通过陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与直角棱镜准直；
3】陀螺指北仪开始寻北，寻北结果即为被测物体纵向轴指示的地理方位角，计算公式为：
Ψbr=Ψc
式中：
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”；
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值，定义北偏西为正。
6.一种惯性测量装置大倾角时方位确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】将被测物体基准面靠紧方位基准传递装置且使得该被测物体基准面与OX轴垂直，调整方位基准传递装置，使第一基准面与被测物体的上基准面平行，然后将被测物体与方位基准传递装置固定，保持二者静止；
2】通过陀螺指北仪瞄准直角棱镜，调整陀螺指北仪与直角棱镜准直；
3】陀螺指北仪开始寻北，依靠其提供的瞄准直角棱镜光线的地理方位角、瞄准直角棱镜光线仰角，以及方位基准传递装置纵倾角和横倾角，确定方位基准传递装置纵向轴指示的地理方位角，计算公式如下：
Ψbr=Ψc+sin-1(tanθctanγbcosθb-tanγbsinθb)
式中，
Ψbr为计算的惯性测量装置的北向角“真值”，
Ψc为陀螺指北仪北向角测量值,定义北偏西为正，
θb为惯性测量装置的俯仰角，
γb为惯性测量装置的横滚角，
θc为陀螺指北仪测量时的经纬仪光管仰角。
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