CN110514200A - 一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法 - Google Patents

一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法。该方法包括：对于当前解算周期，分别测量旋转体的法向惯性信息及地磁信息；建立地磁姿态解算坐标系，利用地磁信息和法向惯性信息在地磁姿态解算坐标系进行姿态解算，将解算出的姿态进行坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息。本发明能降低传感器成本，并解决现有惯性/地磁组合姿态测量***中，滚转角量程不足以及测量精度随时间快速发散的问题。

Description

一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，涉及一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法。
背景技术
姿态信息是导航制导***的核心测量数据，通常指弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态角，具体包括滚转角、俯仰角和航向角。对于制导化旋转弹等高转速旋转体，由于滚转角速率高达8～15转/秒，远超典型陀螺器件量程，常规惯性姿态测量***无法测量滚转角。
利用地磁信息解算滚转角和俯仰角具有量程大、误差不随时间累积等优点，但通常需要其他航向角信息辅助或假设航向角恒定不变，限制了此类方法的应用；此外，测量精度容易受到发射装置等外界铁磁环境的影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种惯性导航***及高转速旋转体姿态测量方法，降低传感器成本，并解决现有惯性/地磁组合姿态测量***中，滚转角量程不足以及测量精度随时间快速发散的问题。
本发明的技术方案：
第一方面，提供一种惯性导航***，包括：
三轴磁强计、单轴陀螺和处理器，其中，三轴磁强计的传感器轴向与弹体坐标系的轴向重合，用于测量旋转体在弹体坐标系下的地磁信息；单轴陀螺的传感器轴向与弹体坐标系法向轴向重合，用于测量旋转体在弹体坐标系法向轴的惯性信息，处理器采集三轴磁强计和单轴陀螺的测量的信息。
第二方面，提供一种高转速旋转体姿态测量方法，应用于惯性导航***，包括：
对于当前解算周期，分别测量旋转体的法向惯性信息及地磁信息；
建立地磁姿态解算坐标系，利用地磁信息和法向惯性信息在地磁姿态解算坐标系进行姿态解算，将解算出的姿态进行坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息。
进一步的，建立地磁姿态解算坐标系，利用地磁信息和惯性信息在地磁姿态解算坐标系进行姿态解算，将解算出的姿态进行坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息，包括：
在当前解算周期内，获取当前的纬度和经度；
根据纬度和经度建立地理坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的转换矩阵；
利用地磁信息，计算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和滚转角；
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角；
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，以及转换矩阵，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角。
进一步的，根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角包括：
获取当前解算周期的地磁姿态解算坐标系的当前俯仰角和上一解算周期内的地磁姿态解算坐标系的上一次俯仰角；
根据当前俯仰角和上一次俯仰角计算地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率；
获取惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度和北向速度；
利用惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度、北向速度和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率；
利用弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率、地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率、弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的当前航向角速率；
获取上一算周期内弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的上一次航向角速率、上一算周期内弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的上一次航向角；
根据上一次航向角速率和当前航向角速率、上一次航向角，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角。
进一步的，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角通过第一公式计算得到，第一公式为：
其中，是弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角；是弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角；Hbx是地磁信息沿横向轴的分量，Hby是地磁信息沿法向轴的分量，Hbz是地磁信息沿纵向轴的分量。
进一步的，地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率通过第二公式计算得到，第二公式为：
为当前解算周期的地磁姿态解算坐标系的俯仰角；为上一解算周期的地磁姿态解算坐标系的俯仰角；T为解算周期；为地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率。
进一步的，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率通过第三公式计算得到，第三公式为：
其中，γ、θ、ψ分别为最新解算所得的弹体坐标系相对于地理坐标系的滚转角、俯仰角和航向角；ωie为地球自转角速率；L、VE、VN分别为惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度和北向速度；RN、RM分别为导航***最新解算所得纬度对应的地球卯酉圈曲率半径和子午圈曲率半径；ωy为法向惯性信息；为弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率。
进一步的，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角通过第四公式计算得到，第四公式为：
其中，是当前解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角角速率；是上一解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角角速率；T为解算周期；为当前解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角；为上一解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角。
进一步的，根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，以及转换矩阵，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角包括：
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，建立弹体坐标系与地磁姿态解算坐标系之间的姿态矩阵；
根据转换矩阵对弹体坐标系与地磁姿态解算坐标系之间的转换矩阵进行转换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态矩阵；
从弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态矩阵中，获取弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角。
进一步的，所述方法还包括：
获取弹体坐标系相对于地理坐标系的初始滚转角、初始俯仰角和初始航向角；
根据初始滚转角、初始俯仰角和初始航向角计算弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵；
根据初始纬度和初始经度建立地理坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的初始转换矩阵；
通过初始转换矩阵对弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵，进行转换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵。
本发明的有益效果：
该方法通过传感器构型设计以及建立地磁姿态解算坐标系，避免了测量滚转角时陀螺量程不足的问题，降低了***成本，降低了姿态算法复杂度，有效提升了高转速旋转体的姿态测量精度，从而提升***的导航制导性能。可应用于各类旋转导弹、制导弹药等高转速旋转体的姿态测量。
附图说明
图1为惯性/地磁传感器构型图；
其中，1-弹体坐标系纵向轴、2-弹体坐标系法向轴、3-弹体坐标系横向轴、4-三轴磁强计、5-单轴陀螺。
图2为地磁姿态解算坐标系框图；
其中，1-地理坐标系北向轴、2-地理坐标系天向轴、3-地理坐标系东向轴、4-地磁姿态解算坐标系X轴、5-地磁姿态解算坐标系Y轴、6-地磁姿态解算坐标系Z轴、7-地磁场总场强度、8-磁倾角、9-磁偏角。
具体实施方式
本发明提供一种高转速旋转体姿态测量方法，通过姿态测量***的惯性/地磁传感器构型设计，分别测量旋转体的惯性及地磁信息；通过建立地磁姿态解算坐标系，综合利用地磁信息和惯性信息进行姿态解算，并通过坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息，实现高转速旋转体的姿态测量。
作为本技术方案的一种改进，惯性/地磁传感器构型由安装于弹体坐标系法向轴的陀螺以及安装于弹体坐标系的三轴磁强计组成，用于测量弹体坐标系下的法向角速率信息及三轴地磁信息。该传感器构型，避免了测量滚转角时陀螺量程不足的问题，降低了***成本，便于工程实现。
作为本技术方案的一种改进，建立地磁姿态解算坐标系，利用弹体坐标系下的法向角速率信息及三轴地磁信息，解算弹体坐标系相对于地磁坐标系的姿态，再通过坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息。该地磁姿态解算坐标系降低了姿态算法复杂度。
图1中，三轴磁强计的传感器轴向与弹体坐标系重合，用于测量地磁场在弹体坐标系下的三轴分量；单轴陀螺的传感器轴向与弹体坐标系法向轴重合，用于测量弹体坐标系法向轴的角速率。
图2中，坐标系OXnYnZn为地理坐标系，坐标系OXmYmZm为地磁姿态解算坐标系。磁倾角I为地磁场总场强度Hm与地理坐标系水平面的夹角，磁偏角D为地磁姿态解算坐标系X轴与地理坐标系X轴之间的夹角。
地磁姿态解算坐标系由地理坐标系经过两次旋转得到，首先绕地理坐标系Y轴旋转磁偏角D，然后绕旋转后的坐标系Z轴转动,使所得的地磁解算坐标系Y轴与地磁场总场强度的负向重合。上述旋转关系表示为：
利用上述惯性/地磁传感器构型及地磁姿态解算坐标系进行高转速旋转体姿态测量的方法包括如下步骤：
步骤一根据当地纬度和经度，利用全球地磁场模型，计算得到磁偏角D和磁倾角I；
步骤二利用三轴磁强计测量值Hbx、Hby、Hbz，计算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和滚转角
步骤三当前解算周期和上一解算周期内的地磁姿态解算坐标系的俯仰角和计算地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率
其中，T为解算周期。
步骤四利用法向轴陀螺所测角速率ωy，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率
其中，γ、θ、ψ分别为最新解算所得的弹体坐标系相对于地理坐标系的滚转角、俯仰角和航向角；ωie为地球自转角速率；L、VE、VN分别为惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度和北向速度；RN、RM分别为导航***最新解算所得纬度对应的地球卯酉圈曲率半径和子午圈曲率半径。
步骤五解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角速率
步骤六利用当前解算周期和上一解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角角速率及解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角
其中，T为解算周期。的初始值计算如下：
利用弹体坐标系相对于地理坐标系的滚转角、俯仰角和航向角初始值γ0、θ0、ψ0，计算初始姿态矩阵
用坐标变换得到弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的初始姿态矩阵
其中为的转置矩阵，已在上文中给出。利用的对应元素，得到的初始值
其取值范围为0～360°。
步骤七通过坐标变换，解算得到弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角θ、滚转角γ和航向角ψ：
其中俯仰角θ取值范围为-90°～90°，滚转角γ取值范围为-180°～180°，航向角ψ取值范围为0°～360°。为姿态矩阵的对应元素，姿态矩阵通过如下坐标变换得到：
其中已在上文中给出，弹体坐标系与地磁姿态解算坐标系之间的姿态矩阵由弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角滚转角和航向角确定：
惯性/地磁组合姿态测量***综合利用惯性信息和地磁信息进行姿态测量，具有自主性好，抗干扰能力强的特点。典型的惯性/地磁组合姿态测量***利用陀螺进行滚转角测量，陀螺器件量程限制了滚转角的测量范围；此外，另一类利用法向和侧向陀螺信息与地磁姿态角信息组合解算航向角速率信息，进而积分得到航向角，由于放大了惯性器件误差对测量精度的影响，使得测量误差随时间快速累积。

Claims (10)

1.一种惯性导航***，其特征在于，包括：
三轴磁强计、单轴陀螺和处理器，其中，三轴磁强计的传感器轴向与弹体坐标系的轴向重合，用于测量旋转体在弹体坐标系下的地磁信息；单轴陀螺的传感器轴向与弹体坐标系法向轴向重合，用于测量旋转体在弹体坐标系法向轴的惯性信息，处理器采集三轴磁强计和单轴陀螺的测量的信息。
2.一种高转速旋转体姿态测量方法，应用于惯性导航***，其特征在于，包括：
对于当前解算周期，分别测量旋转体的法向惯性信息及地磁信息；
建立地磁姿态解算坐标系，利用地磁信息和法向惯性信息在地磁姿态解算坐标系进行姿态解算，将解算出的姿态进行坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立地磁姿态解算坐标系，利用地磁信息和惯性信息在地磁姿态解算坐标系进行姿态解算，将解算出的姿态进行坐标变换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息，包括：
在当前解算周期内，获取当前的纬度和经度；
根据纬度和经度建立地理坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的转换矩阵；
利用地磁信息，计算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和滚转角；
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角；
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，以及转换矩阵，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角包括：
获取当前解算周期的地磁姿态解算坐标系的当前俯仰角和上一解算周期内的地磁姿态解算坐标系的上一次俯仰角；
根据当前俯仰角和上一次俯仰角计算地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率；
获取惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度和北向速度；
利用惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度、北向速度和法向惯性信息，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率；
利用弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率、地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率、弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的当前航向角速率；
获取上一算周期内弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的上一次航向角速率、上一算周期内弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的上一次航向角；
根据上一次航向角速率和当前航向角速率、上一次航向角，解算弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角和弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角通过第一公式计算得到，第一公式为：
其中，是弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角；是弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的滚转角；Hbx是地磁信息沿横向轴的分量，Hby是地磁信息沿法向轴的分量，Hbz是地磁信息沿纵向轴的分量。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率通过第二公式计算得到，第二公式为：
为当前解算周期的地磁姿态解算坐标系的俯仰角；为上一解算周期的地磁姿态解算坐标系的俯仰角；T为解算周期；为地磁姿态解算坐标系的俯仰角速率。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率通过第三公式计算得到，第三公式为：
其中，γ、θ、ψ分别为最新解算所得的弹体坐标系相对于地理坐标系的滚转角、俯仰角和航向角；ωie为地球自转角速率；L、VE、VN分别为惯性导航***最新解算所得纬度、东向速度和北向速度；RN、RM分别为导航***最新解算所得纬度对应的地球卯酉圈曲率半径和子午圈曲率半径；ωy为法向惯性信息；为弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的角速率。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角通过第四公式计算得到，第四公式为：
其中，是当前解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角角速率；是上一解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角角速率；T为解算周期；为当前解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角；为上一解算周期内的弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的航向角。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，以及转换矩阵，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角包括：
根据弹体坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的俯仰角、滚转角和航向角，建立弹体坐标系与地磁姿态解算坐标系之间的姿态矩阵；
根据转换矩阵对弹体坐标系与地磁姿态解算坐标系之间的转换矩阵进行转换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态矩阵；
从弹体坐标系相对于地理坐标系的姿态矩阵中，获取弹体坐标系相对于地理坐标系的俯仰角、滚转角和航向角。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取弹体坐标系相对于地理坐标系的初始滚转角、初始俯仰角和初始航向角；
根据初始滚转角、初始俯仰角和初始航向角计算弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵；
根据初始纬度和初始经度建立地理坐标系相对于地磁姿态解算坐标系的初始转换矩阵；
通过初始转换矩阵对弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵，进行转换，得到弹体坐标系相对于地理坐标系的初始姿态矩阵。
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