CN105606125A - 一种惯性稳定设备的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性稳定设备的测试装置及方法。包括安装平台、滚动框架、俯仰框架和天线安装板，安装平台的中心下端与滚动框架的中心铰接，滚动框架的两侧壁与俯仰框架的中心铰接，俯仰框架的两侧壁与天线安装板的转轴铰接，所述的安装平台上固定有竖直的载机垂直轴、与载机垂直轴垂直的而且相互垂直的载机横轴和载机纵轴。选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性***的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性***的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换。它方法简单，精度高。

Description

一种惯性稳定设备的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种惯性稳定平台三轴测试领域，特别是一种惯性稳定设备的测试装置及方法。

背景技术

目前相关专利有两轴水平稳定平台，对水平(横滚、俯仰)两个姿态进行稳定，《机载光电惯性稳定平台隔离度测试***及方法》(见专利号20141068990514)。无法满足三轴稳定平台测量。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种惯性稳定设备的测试装置及方法。它方法简单，精度高。

一种惯性稳定设备的测试装置包括安装平台、滚动框架、俯仰框架和天线安装板，安装平台的中心下端与滚动框架的中心铰接，滚动框架的两侧壁与俯仰框架的中心铰接，俯仰框架的两侧壁与天线安装板的转轴铰接，所述的安装平台上固定有竖直的载机垂直轴、与载机垂直轴垂直的而且相互垂直的载机横轴和载机纵轴，所述的安装平台与滚动框架之间的夹角为俯仰角，滚动框架与俯仰框架之间的夹角为滚动角，俯仰框架与天线安装板之间的夹角为方位角。

一种惯性稳定设备的测试方法，包括：一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航***，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z。

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性***，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航***为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪。经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性***的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性***的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

$C_{ra}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& 0& -sin\mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{pr}{C}_{ra}{C}_{ab}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性***的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性***20min，光纤惯性***对准10min，光纤惯性***对准结束转导航后，此时光纤惯性***输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性***姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航***输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角。

本发明方法简单，精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明测试装置示意图；

图2为本发明经纬仪测量天线姿态示意图；

图3为本发明光纤惯导与天线的位置示意图。

具体实施方式

一种惯性稳定设备的测试装置包括安装平台2、滚动框架7、俯仰框架5和天线安装板6，安装平台2的中心下端与滚动框架7的中心铰接，滚动框架7的两侧壁与俯仰框架5的中心铰接，俯仰框架5的两侧壁与天线安装板6的转轴铰接，所述的安装平台2上固定有竖直的载机垂直轴3、与载机垂直轴3垂直的而且相互垂直的载机横轴4和载机纵轴1，所述的安装平台2与滚动框架7之间的夹角A为俯仰角，滚动框架7与俯仰框架5之间的夹角R为滚动角，俯仰框架5与天线安装板6之间的夹角E为方位角。

一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航***，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z。

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性***，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航***为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪。经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性***的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性***的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

$C_{ra}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& 0& -sin\mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{pr}{C}_{ra}{C}_{ab}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性***的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性***20min，光纤惯性***对准10min，光纤惯性***对准结束转导航后，此时光纤惯性***输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性***姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航***输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角；

表1-6为经纬仪实测天线的大地姿态，公式推导天线对大地姿态，通过实验对比，姿态解算与姿态测量保持一致，本发明提出的测量方法正确，可以准确的测量出三轴惯性稳定设备的姿态；

表1第一组测试数据单位：°

表2第二组测试数据单位：°

表3第三组测试数据单位：°

表4第四组测试数据单位：°

表5第五组测试数据单位：°

表6第六组测试数据单位：°

5)、精度评估方法

三轴惯性稳定平台的精度评估是一个很复杂的试验。一般情况下要用激光跟踪仪来进行跟踪，通过高精度激光跟踪仪来评估三轴稳定平台的精度保持情况，但一般价格昂贵。

利用光纤惯导A和B，和三轴惯性稳定平台框架角，利用算法4.2求解三轴框架角大地地理姿态。通过一组摇摆试验，利用以下公式计算三轴惯性稳定平台三个框架角的保持精度。

$RMS=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Ti-T)$

注：n指试验次数，T分别代表方位框、俯仰框、滚动框。

Claims (2)

1.一种惯性稳定设备的测试装置及方法，其特征在于：包括安装平台(2)、滚动框架(7)、俯仰框架(5)和天线安装板(6)，安装平台(2)的中心下端与滚动框架(7)的中心铰接，滚动框架(7)的两侧壁与俯仰框架(5)的中心铰接，俯仰框架(5)的两侧壁与天线安装板(6)的转轴铰接，所述的安装平台(2)上固定有竖直的载机垂直轴(3)、与载机垂直轴(3)垂直的而且相互垂直的载机横轴(4)和载机纵轴(1)，所述的安装平台(2)与滚动框架(7)之间的夹角(A)为俯仰角，滚动框架(7)与俯仰框架(5)之间的夹角(R)为滚动角，俯仰框架(5)与天线安装板(6)之间的夹角(E)为方位角。

2.一种惯性稳定设备的测试方法，包括：

1)、设备：光纤陀螺惯性导航***，以下简称光纤惯导，方位精度≤0.1°(3σ)，水平对准精度≤1′(3σ)，光纤惯导测量的方位角范围0～360°，俯仰角范围-90°～90°,滚动角范围-180°～180°，光纤惯导测量的载体角度为东北天坐标系下的角度值，俯仰、滚动、方位分别表示为:x、y、z；

2)、测量工具：2.1)手动两轴转台，可以使平台在横滚和俯仰两个方向转动，定位精度优于1′；2.2)光纤惯性***，开机预热20min，对准时间10min，利用光纤陀螺捷联惯性导航***为测量基准，此光纤陀螺带基准反光镜，在X、Y方向上各有一个基准反光镜；2.3)自准直经纬仪，经纬仪可以测量水平与垂直两个方向的角度，水平精度角秒级；(2.4)三轴稳定平台工装支架，工装为类似“工类”板，三轴稳定平台为吊挂式，使三轴稳定平台吊装在摇摆台上；2.5)录数装置，包括光纤惯导,三轴稳定平台框架角、经纬仪测量角度；2.6)反光镜片，反光镜贴在框架角的横滚轴与俯仰轴上，用于自准直经纬仪测量三轴稳定平台的水平姿态；

3)、姿态解算：选取的坐标系为东北天坐标系，天线所在坐标系为载体坐标系，保持姿态坐标系为当地地理坐标系，光纤惯性***的参考坐标系为当地地理坐标系，因此，可以根据光纤惯性***的姿态推导出载体坐标系对当地地理坐标系的转换；

3.1)、坐标变换矩阵：

如果三轴稳定平台所在的坐标系与载体坐标系安装中存在夹角，通过坐标变换将两坐标系重合，变换方法：

设导航系为东北天坐标系，如果两坐标系z轴存在夹角ψ，有(x_a,y_a,1)＝(x_b,y_b,1)C_ab，变换矩阵C_ab为：

$C_{ab}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

若两坐标系y轴存在夹角θ，有(x_r,1,z_r)＝(x_a,1,z_a)C_ra，其中C_ra为：

若两坐标系x轴存在夹角有(1,y_p,z_p)＝(1,y_r,z_r)C_pr，其中C_pr为：

所以平台坐标系与载体坐标系的变换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=C_{\mathrm{pr}}{C}_{\mathrm{ra}}{C}_{\mathrm{ab}}\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

3.2)、姿态解算：

x、y、z分别为光纤惯性***的姿态，A、R、E分别为三轴框架的俯仰角、滚动角、方位角，

$A^{-1}*R^{-1}*E^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos A\cos R& \sin A\cos E+\sin E\cos A\sin R& -\sin A\sin E+\cos A\sin R\cos E\\ -\sin A\cos R& \cos E\cos A-\sin A\sin R\sin E& -\sin E\cos A-\sin A\sin R\cos E\\ -\sin R& \sin E\cos R& \cos E\cos R\end{array}\right]$

$z^{-1}*x^{-1}*y^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos z\cos y+\sin x\sin z\sin y& \sin z\cos x& \cos z\sin y-\sin x\sin z\cos y\\ -\sin z\cos y+\sin x\cos z\sin y& \cos z\cos x& -\sin y\sin z-\sin x\cos z\cos y\\ -\sin y\cos x& \cos x& \cos x\cos y\end{array}\right]$

稳定平台相对大地地理坐标系姿态计算，就是利用从稳定平台框架角到载体再到大地地理坐标系的转换，

Md＝z^-1*x^-1*y^-1*A^-1*R^-1*E^-1

[大地地理坐标系]＝Md*[天线坐标系]；

4)、三轴稳定平台测试测量方法：

4.1)、首先预热光纤惯性***20min，光纤惯性***对准10min，光纤惯性***对准结束转导航后，此时光纤惯性***输出为可用数据，利用同步录取数据装置录取光纤惯性***姿态、电子经纬仪测量值、三轴稳定平台框架角等信息，光纤陀螺捷联惯性导航***输出相对当地地理坐标系的真北、水平姿态(横滚、纵摇，α、β、γ为经纬仪测量值；

4.2)、横滚角测量：如图2所示，把经纬仪调平后，垂直角度为90°时，可以认为大地水平0°平面，通过观察贴在天线横滚框架上(由于天线所在面为最内环，横滚框架角在中环，横滚框架的滚动值为天线的最终滚动角度)的反射镜可以测量横滚角γ′，γ为经纬仪的读数，γ与γ′互补；

4.3)方位、俯仰角测量：由图3可得，移动经纬仪使在某时刻可以同时观测惯导1和天线平面的反射镜，α′与方位角互补，β′为天线俯仰角，通过计算可得天线的方位角和俯仰角。