CN108896045A - 一种无加速度计的惯性导航***和导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无加速度计的惯性导航***和导航方法，导航***包括稳定平台、导航计算模块和输入输出模块；稳定平台包含中间圆台、与中间圆台平行的内平衡框架、与中间圆台垂直的外平衡框架，中间圆台上设置3个输入轴互相垂直的陀螺仪，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架的控制轴分别设置对应的力矩电机，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架上分别设置对应的角度传感器；导航计算模块连接前述输入输出模块、陀螺仪、力矩电机和角度传感器；输入输出模块用于向导航计算模块输入初始参数以及输出显示导航计算模块解算的导航结果。本发明克服了传统惯性导航***中误差随时间非线性快速增长的缺点，具有抗干扰能力强、长期精度高和稳定性好的特点。

Description

一种无加速度计的惯性导航***和导航方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别涉及了一种无加速度计的惯性导航***和导航方法。

背景技术

传统的惯性导航技术采用陀螺仪和加速度计作为传感器来感应载体的运动信息，并通过多次积分的方式得到载体的姿态、速度和位置信息。由于采用了多次积分，造成惯性导航***的位置误差随着时间成非线性增长，导致定位精度随着导航时间的增加快速降低，导航性能急剧下降。减小载体长时间航行时导航误差的快速增长是传统的惯性导航***所欠缺的，也是本发明深入研究的内容。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种无加速度计的惯性导航***和导航方法，克服传统惯性导航***中多次积分导致随着时间延长导航精度急剧下降的缺陷。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种无加速度计的惯性导航***，包括稳定平台、导航计算模块和输入输出模块；所述稳定平台包含中间圆台、与中间圆台平行的内平衡框架以及与中间圆台垂直的外平衡框架，中间圆台上设置3个输入轴互相垂直的陀螺仪，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架的控制轴分别设置对应的力矩电机，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架上分别设置对应的角度传感器；所述导航计算模块连接前述输入输出模块、陀螺仪、力矩电机和角度传感器；所述输入输出模块用于向导航计算模块输入初始参数以及输出显示导航计算模块解算的导航结果；导航计算模块根据陀螺仪采集的数据以及初始参数解算载体的速度、位置信息，导航计算模块根据角度传感器采集的数据解算载体的航姿信息，同时驱动力矩电机使稳定平台始终跟踪地理坐标系。

进一步地，以中间圆台的圆心为三维坐标系的原点O，以平行于中间圆台并指向北的方向作为三维坐标系的X_p轴方向，以平行于中间圆台并指向东的方向作为三维坐标系的Y_p轴方向，以垂直于中间圆台方向作为三维坐标系的Z_p轴方向，建立平台坐标系OX_pY_pZ_p；所述3个陀螺仪中，第一个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的Y_p轴，其角动量垂直中间圆台面，并输出北向的角速度，第二个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的X_p轴，其角动量垂直中间圆台面，并输出东向的角速度，第三个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的Z_p轴，其角动量平行中间圆台面，并输出垂线方向的角速度。

基于上述无加速度计的惯性导航***的导航方法，包括以下步骤：

(1)控制稳定平台与地球表面间的相对位置，当载体从地面一点移动到另外一点时，导航计算模块控制力矩电机使稳定平台始终跟踪当地水平面并指向北，此时的平台坐标系模拟地理坐标系，导航计算模块根据角速度传感器采集的数据解算出载体航姿信息；

(2)导航计算模块首先对陀螺仪采集的信息进行有害角速度信息补偿，然后根据线速度与角速度的关系，得到载体的速度信息；

(3)导航计算模块根据输入输出模块提供的初始经纬度信息以及陀螺仪采集的角速度信息的一次积分，得到载体的位置信息。

进一步地，在步骤(1)中，导航计算模块将按平台坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量的三维分量计算形成的控制信号送给相应的力矩电机，通过控制3个力矩电机使平台坐标系OX_PY_PZ_P始终跟踪地理坐标系，利用3个角度传感器在平台直接读取载体的3个姿态角：

上式中，为的三维分量，分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，L为载体所处纬度，tg表示正切函数。

进一步地，在步骤(2)中，载体的速度信息按下式计算：

上式中，分别为载体相对地球的速度在地理坐标系上的东向、北向分量，分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量，L为载体所处纬度，R为地球半径。

进一步地，在步骤(3)中，载体的位置信息按下式计算：

上式中，λ(t)、L(t)分别为实时经度和纬度信息，λ₀、L₀分别为初始经度和纬度信息，分别为载体相对地球的转动角速度在平台坐标系上的东向、北向分量， 分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量，t为积分时间。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明可以使得载体在长时间导航时保持较好的定位精度和定位效果，避免了传统惯性导航***的导航误差随时间的增长呈非线性快速增长的缺点，具有很强的工程应用价值；

(2)本发明只利用陀螺仪进行惯性导航，无需配置加速度计，简化了***结构和配置，减小了***的复杂度，降低了***成本；

(3)本发明提出的平台方案原理可靠，性能稳定，提高惯性导航***的适用性、有效性，为新型惯性导航***的实际工作提供了新的思路和方法。

附图说明

图1是本发明稳定平台的俯视图；

图2是本发明稳定平台的三维立体图；

图3是本发明A、B两点平台坐标系相对于地球坐标系的示意图；

图4是本发明稳定平台跟踪地球的示意图；

图5是本发明的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计的一种无加速度计的惯性导航***，包括稳定平台、导航计算模块和输入输出模块。如图1-2所示，稳定平台包含中间圆台、与中间圆台平行的内平衡框架以及与中间圆台垂直的外平衡框架。以中间圆台的圆心为三维坐标系的原点O，以平行于中间圆台并指向北的方向作为三维坐标系的X_p轴方向，以平行于中间圆台并指向东的方向作为三维坐标系的Y_p轴方向，以垂直于中间圆台方向作为三维坐标系的Z_p轴方向，建立平台坐标系OX_pY_pZ_p。中间圆台上设置3个输入轴互相垂直的陀螺仪G_X、G_Y、G_Z。G_Y的输入轴平行于平台的OY_P轴，角动量H垂直平台面，输出沿南北方向的角速度。G_X的输入轴平行于平台的OX_P轴，角动量H垂直平台面，输出沿东西方向的角速度。G_Z的输入轴平行于平台的OZ_P轴(即方位轴)，角动量H平行平台面，输出沿垂线方向的角速度。内平衡框架的控制轴设置对应的力矩电机M1，外平衡框架的控制轴设置对应的力矩电机M2，中间圆台的控制轴设置对应的力矩电机M3，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架上分别设置对应的角度传感器。

导航计算模块连接前述输入输出模块、陀螺仪、力矩电机和角度传感器。输入输出模块用于向导航计算模块输入初始参数以及输出显示导航计算模块解算的导航结果。导航计算模块根据陀螺仪采集的数据以及初始参数解算载体的速度、位置信息，导航计算模块根据角度传感器采集的数据解算载体的航姿信息，同时驱动力矩电机使稳定平台始终跟踪地理坐标系。

基于上述无加速度计的惯性导航***的导航方法，包括以下步骤：

步骤1：控制稳定平台与地球表面间的相对位置，当载体从地面一点移动到另外一点时，导航计算模块控制力矩电机使稳定平台始终跟踪当地水平面并指向北，如图3-4所示，此时的平台坐标系模拟地理坐标系，导航计算模块根据角速度传感器采集的数据解算出载体航姿信息。

地理坐标系随载体相对地球坐标系的位置的变化而变化，载体相对于地球的运动引起地理坐标系相对于地球坐标系的转动。由运动学关系可知，平台坐标系(p系)相对于惯性坐标系(i系)的转动角速度在平台坐标系(p系)上的分量包括三部分：地球坐标系(e系)相对于惯性坐标系(i系)的转动角速度在平台坐标系(p系)上的分量地理坐标系(g系)相对于地球坐标系(e系)的转动角速度在平台坐标系(p系)上的分量以及平台坐标系(p系)相对于地理坐标系(g系)的转动角速度在平台坐标系(p系)上的分量可表示为：

通过稳定电机控制回路使p系和g系是重合的，上式可表示为：

在平台上安装的陀螺仪G_X、G_Y分别输出东北向的角速度要使平台始终跟踪地理坐标系，必须使平台以地理坐标系相对惯性空间的角速度相对惯性空间转动。因此，控制平台的角速度信息可表示为：

将按的三个分量计算形成的信号送给平台上相应的力矩电机，通过控制三个回路使平台坐标系OX_PY_PZ_P始终跟踪地理坐标系，所以平台保持了水平和固定的北向方位。这样利用角传感器可以在平台直接读取载体的三个姿态角并送往输入输出模块。

步骤2：如图5所示，导航计算模块首先对陀螺仪采集的信息进行有害角速度信息补偿，然后根据线速度与角速度的关系，得到载体的速度信息。

在初始时刻，设置平台是水平的且平台的Y_P坐标轴总是保持指北方位，在平台上安装的陀螺仪G_X、G_Y分别输出东向和北向的角速度由于

根据可得载体相对地球的转动角速度在平台坐标系上的东向、北向分量

根据可得载体相对地球的速度在地理坐标系上的东向、北向分量

步骤3：如图5所示，导航计算模块根据输入输出模块提供的初始经纬度信息以及陀螺仪采集的角速度信息的一次积分，得到载体的位置信息。

根据载体相对地球的转动角速度在平台坐标系上的东向、北向分量再经过一次积分运算后，即可得到载体相对于地球的经度变化量和纬度变化量。输入输出模块给出的起始点经纬度分别是λ₀和L₀，可实时计算得到载体的经度λ(t)及纬度L(t)：

本发明针对传统惯性导航***中多次积分导致随着时间延长导航精度急剧下降的缺点，研究单次积分得到载***置的导航***和算法，以解决传统惯性导航误差随时间非线性快速增长的问题，满足长时间导航的需求。本发明通过研究在地球周围运动载体的运动特性，提取出速率陀螺仪输出的有用运动信息及角速度信息，建立角速度和速度的对应关系，采用角速度积分的方式得到载体的位置信息，通过数学推导解算出载体所需要的导航信息，实现位置误差随时间成线性变化以减小长航时的导航误差的目的。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无加速度计的惯性导航***，其特征在于：包括稳定平台、导航计算模块和输入输出模块；所述稳定平台包含中间圆台、与中间圆台平行的内平衡框架以及与中间圆台垂直的外平衡框架，中间圆台上设置3个输入轴互相垂直的陀螺仪，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架的控制轴分别设置对应的力矩电机，中间圆台、内平衡框架和外平衡框架上分别设置对应的角度传感器；所述导航计算模块连接前述输入输出模块、陀螺仪、力矩电机和角度传感器；所述输入输出模块用于向导航计算模块输入初始参数以及输出显示导航计算模块解算的导航结果；导航计算模块根据陀螺仪采集的数据以及初始参数解算载体的速度、位置信息，导航计算模块根据角度传感器采集的数据解算载体的航姿信息，同时驱动力矩电机使稳定平台始终跟踪地理坐标系。

2.根据权利要求1所述无加速度计的惯性导航***，其特征在于：以中间圆台的圆心为三维坐标系的原点O，以平行于中间圆台并指向北的方向作为三维坐标系的X_p轴方向，以平行于中间圆台并指向东的方向作为三维坐标系的Y_p轴方向，以垂直于中间圆台方向作为三维坐标系的Z_p轴方向，建立平台坐标系OX_pY_pZ_p；所述3个陀螺仪中，第一个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的Y_p轴，其角动量垂直中间圆台面，并输出北向的角速度，第二个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的X_p轴，其角动量垂直中间圆台面，并输出东向的角速度，第三个陀螺仪的输入轴平行于平台坐标系的Z_p轴，其角动量平行中间圆台面，并输出垂线方向的角速度。

3.基于权利要求2所述无加速度计的惯性导航***的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)控制稳定平台与地球表面间的相对位置，当载体从地面一点移动到另外一点时，导航计算模块控制力矩电机使稳定平台始终跟踪当地水平面并指向北，此时的平台坐标系模拟地理坐标系，导航计算模块根据角速度传感器采集的数据解算出载体航姿信息；

(2)导航计算模块首先对陀螺仪采集的信息进行有害角速度信息补偿，然后根据线速度与角速度的关系，得到载体的速度信息；

(3)导航计算模块根据输入输出模块提供的初始经纬度信息以及陀螺仪采集的角速度信息的一次积分，得到载体的位置信息。

4.根据权利要求3所述导航方法，其特征在于，在步骤(1)中，导航计算模块将按平台坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量的三维分量计算形成的控制信号送给相应的力矩电机，通过控制3个力矩电机使平台坐标系OX_PY_PZ_P始终跟踪地理坐标系，利用3个角度传感器在平台直接读取载体的3个姿态角：

上式中，为的三维分量，分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，L为载体所处纬度，tg表示正切函数。

5.根据权利要求3所述导航方法，其特征在于，在步骤(2)中，载体的速度信息按下式计算：

上式中，分别为载体相对地球的速度在地理坐标系上的东向、北向分量，分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量，L为载体所处纬度，R为地球半径。

6.根据权利要求3所述导航方法，其特征在于，在步骤(3)中，载体的位置信息按下式计算：

上式中，λ(t)、L(t)分别为实时经度和纬度信息，λ₀、L₀分别为初始经度和纬度信息，分别为载体相对地球的转动角速度在平台坐标系上的东向、北向分量，分别为陀螺仪输出的东向角速度和北向角速度，为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在平台坐标系上的分量，t为积分时间。