CN115164942B - 一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,该方法经过一次自动化测试得到所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度,备选捷联式陀螺寻北方案为水平状态下基于二位置、三位置、四位置的不同捷联式陀螺寻北方式、不同型号的陀螺、在每个位置采样陀螺数据的不同时间段、在每个位置采样陀螺数据的不同时长的组合。该方法简单便捷,省时省力,可根据实际应用需求和自动化测试结果快速选取合适的寻北方案和陀螺;还可作为通用捷联式陀螺寻北仪测试平台设计的支撑;还可作为陀螺寻北精度验证方法,通过更换陀螺可实现对任意陀螺寻北精度的验证;还可用来验证陀螺寻北滤波算法,用滤波结果数据替换采样得到的原始数据即可。
Description
技术领域
本发明涉及捷联式陀螺寻北仪定向技术,尤其是涉及一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法。
背景技术
捷联式陀螺寻北仪是一种用于方位测量的定向仪器,利用陀螺敏感地球自转角速度的原理,捷联式陀螺寻北仪在地球自转基础上能实现自主寻北并向外提供北向方位基准。在卫星失效等恶劣环境下,捷联式陀螺寻北仪可不依赖其他条件就能实现自主寻北,在实际应用中有着巨大的技术优势和前景。
捷联式陀螺寻北仪寻北精度是寻北值离散的程度,用来衡量仪器寻北重复性误差的程度。水平状态下,基于二位置、三位置、四位置的捷联式陀螺寻北方式,采用不同型号的陀螺、在每个位置采样陀螺数据时间段的不同、在每个位置采样陀螺数据时长的不同对寻北精度又有很大的影响。在实际应用中,有的应用场景需要寻北时间短而寻北精度相对要求不高,有的应用场景需要高精度寻北而对寻北时间要求相对不高,有的应用场景则要求在限定的寻北时间内达到一定的寻北精度,此时就需要根据实际应用需要选取合适的寻北方案。
目前捷联式陀螺寻北仪在根据用户需求选取合适的寻北方案时,一般是根据理论公式或经验进行选取,但这种方式选取的寻北方案实际效果与理想状态往往存在较大偏差,还需要后期人工对方案进行反复调整测试,费时费力。因此,在寻北方案设计阶段针对实际应用指标需求准确快捷地选取合适的寻北方案是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有用户需求,提出一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法。
本发明采取的技术方案是:一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法是:经过一次自动化测试得到所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度,所述备选捷联式陀螺寻北方案为水平状态下基于二位置、三位置、四位置的不同捷联式陀螺寻北方式、不同型号的陀螺、在每个位置采样陀螺数据的不同时间段、在每个位置采样陀螺数据的不同时长的组合,包括以下步骤:
步骤1、在所述捷联式陀螺寻北仪相应位置安装待测陀螺,然后将捷联式陀螺寻北仪调平。
步骤2、通过控制所述捷联式陀螺寻北仪供电电源的开关,使捷联式陀螺寻北仪断电一定时间后重新加电,以保证每个寻北测回都为刚加电冷启动状态。
步骤3、利用所述捷联式陀螺寻北仪自带转位机构、自带码盘和所述待测陀螺进行快速粗寻北,得到捷联式陀螺寻北仪上待测陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角。
步骤4、通过所述捷联式陀螺寻北仪上待测陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角,计算得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角对应的捷联式陀螺寻北仪自带码盘的码盘角。
步骤5、对所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置码盘角做并集运算,进而得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合,所述捷联式陀螺寻北仪自带转位机构顺序转动一周完成对二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的所有陀螺采样位置最小集合的转位。
步骤6、依次转动到所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的码盘角的最小集合中的每个陀螺采样位置,在每个陀螺采样位置分别进行一定时长的稳定陀螺数据采样,并将每个位置采样的稳定陀螺数据按不同采样时间段、不同采样时长进行细分分段存储。
步骤7、计算所有细分分段存储陀螺数据的平均值,将所述平均值代入水平状态下二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果计算公式,得到水平状态下所述待测陀螺在每个位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置的所有备选捷联式陀螺寻北方案的1组寻北结果。
步骤8、所述步骤2至步骤7为一个寻北测回,自动重复执行N次步骤2至步骤7,得到水平状态下所述待测陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的N组寻北结果,将N组寻北结果代入寻北精度计算公式,得到水平状态下所述待测陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度,所述寻北精度计算公式如下:
式中,ψ i为第i组寻北结果,单位:°,E为N组寻北结果的平均值,单位:°,1σ为寻北精度,单位:°。
本发明的优点和积极效果是:
1、本发明提供的捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,简单便捷、省时省力,经过一次自动化测试即可得到水平状态下一个陀螺基于二位置、三位置、四位置的不同捷联式陀螺寻北方式、在每个位置采样陀螺数据的不同时间段、在每个位置采样陀螺数据的不同时长的所有情况组合的寻北精度,可根据实际应用需求和自动化测试结果快速选取合适的寻北方案和陀螺。
2、本发明还可通过添加倾斜角补偿应用于捷联式陀螺寻北仪倾斜寻北精度自动化测试。
3、本发明还可作为通用捷联式陀螺寻北仪测试平台设计的支撑。
4、本发明还可作为陀螺寻北精度验证方法,通过更换陀螺可实现对任意陀螺寻北精度的验证。
5、本发明还可用来验证陀螺寻北滤波算法,通过对采样得到的数据进行滤波,用滤波结果数据替换采样得到的原始数据即可。
附图说明
图1为本发明实施例的捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法流程图;
图2为本发明实施例采用的陀螺寻北仪结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
本方法在步骤3中,快速粗寻北方案为:采用四位置捷联式陀螺寻北方式,每个陀螺采样位置进行一定时间稳定陀螺数据采样,第一个陀螺采样位置设置为开始快速粗寻北时待测陀螺所处的位置以避免不必要的转位时间,缩短快速粗寻北时长。待测陀螺由于完成转位后短时间内存在转动惯性和急停冲击的影响,导致待测陀螺采样数据中存在噪声干扰,使最终自动化测试结果存在误差而不可靠,为了保证所采样的陀螺数据为稳定数据,待测陀螺转动到每个陀螺采样位置后,都需要先等待一定时间后再进行陀螺数据采样。
本方法在步骤4中,根据二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式原理,为了得到最优的理论寻北精度,设置所述二位置捷联式陀螺寻北方式中两个陀螺采样位置粗略北向角为真北5°、185°;设置三位置捷联式陀螺寻北方式中特定两种旋转方式的三个陀螺采样位置粗略北向角分别为真北45°、135°、315°和135°、225°、315°;设置四位置捷联式陀螺寻北方式中四个陀螺采样位置粗略北向角为真北45°、135°、225°、315°。
本方法对所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角(真北5°、185°、45°、135°、315°、135°、225°、315°、45°、135°、225°、315°)对应的码盘角做并集运算,得到所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合为真北5°、45°、135°、185°、225°、315°。
由于二位置捷联式陀螺寻北方式原理,两个待测陀螺采样位置相差180°,且解算的结果为两个而不唯一,另外当第一个待测陀螺采样位置为大略南北时寻北精度较好,为了使二位置捷联式陀螺寻北方式解算结果唯一且寻北精度较好,设置两个陀螺采样位置粗略北向角为真北5°、185°。
由于三位置第一种旋转方式、四位置捷联式陀螺寻北方式原理,当第一个待测陀螺采样位置为大略真北45°时寻北精度较好,所以设置第一个陀螺采样位置粗略北向角为真北45°。
由于三位置第二种旋转方式捷联式陀螺寻北方式原理,当第一个待测陀螺采样位置为大略真北135°时寻北精度较好,所以设置第一个陀螺采样位置粗略北向角为真北135°。
本方法在步骤6中,将每个位置采样的稳定陀螺数据按不同采样时间段、不同采样时长进行细分分段存储,其目的在于:不需要通过多次采样,而仅通过一次采样,就可以得到每个位置不同采样时间段、不同采样时长的稳定陀螺数据。
细分分段存储的优点在于:在每个位置进行一次一定时长的待测陀螺数据采样,就可得到待测陀螺完成转位后所有细分采样时间段的待测陀螺采样数据,而不需要分多次测试完成,同时通过对细分分段存储数据的最终自动化测试结果进行分析,还可以得到捷联式陀螺寻北仪在待测陀螺完成转位后多长时间再进行采样以及采样多长时间效果最佳,便于分析且省时省力。
本方法在步骤7中,水平状态下二位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果ψ 2,单位:°,计算公式如下:
式中,ωie为地球自转角速度,单位:°/s,L为当地纬度,ω5°为陀螺采样位置为粗略北向角真北5°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω185°为陀螺采样位置为粗略北向角真北185°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s。
水平状态下三位置捷联式陀螺寻北方式的第一种旋转方式寻北结果ψ 31和第二种旋转方式寻北结果ψ 32,单位:°,计算公式如下:
式中,ω45°为陀螺采样位置为粗略北向角真北45°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω135°为陀螺采样位置为粗略北向角真北135°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω225°为陀螺采样位置为粗略北向角真北225°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω315°为陀螺采样位置为粗略北向角真北315°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,。
水平状态下四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果ψ 4,单位:°,计算公式如下:
式中,ω45°为陀螺采样位置为粗略北向角真北45°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω135°为陀螺采样位置为粗略北向角真北135°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω225°为陀螺采样位置为粗略北向角真北225°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω315°为陀螺采样位置为粗略北向角真北315°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s。
以下两个实施例实际应用陀螺寻北仪均为中国船舶重工集团公司第七0七研究所研发的陀螺测量机器人中的陀螺寻北仪(申请号: 202110885843 .4),如图2所示。陀螺寻北仪由陀螺和测量机器人按捷联方式安装,把陀螺侧置安装在测量机器人水平旋转部,利用测量机器人方位回转功能,将测量机器人作为精密转角平台和水平旋转机构,实现陀螺寻北,并利用测量机器人输出寻北结果建立北向基准,组成捷联式陀螺寻北仪。
陀螺测量机器人寻北精度自动化测试软件通过对陀螺测量机器人的加断电控制、转位机构控制、码盘位置数据读取、陀螺数据采集、每个陀螺采样位置停留时间控制、寻北解算、寻北测回控制、寻北精度计算,实现了本发明一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法所有步骤,使本发明在陀螺测量机器人中得到实践应用。
实施例一:陀螺型号为FOG-1C-120。将陀螺安装到陀螺测量机器人,将陀螺测量机器人调平;运行陀螺测量机器人寻北精度自动化测试软件,通过IO控制供电继电器吸合使陀螺测量机器人断电20分钟后重新加电,通过控制陀螺寻北仪水平旋转、读取陀螺寻北仪水平旋转角度和读取陀螺数据进行快速粗寻北,粗寻北完成后得到陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角,同时得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角对应的码盘角,对所有陀螺采样位置码盘角做并集运算,得到所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合,控制陀螺寻北仪水平顺序转动一周,将陀螺依次转动到完成二位置、三位置、四位置捷联寻北所需的所有陀螺采样位置最小集合中的每个陀螺采样位置,并在转动到每个位置后先等待4秒再进行采样,在每个陀螺采样位置采样5分钟数据,并将5分钟的采样数据分段进行存储。
本实施例将5分钟的采样数据按照“前1分钟”、“前2分钟”、“前3分钟”、“前4分钟”、“前5分钟”、“第1-2分钟”、“第1-3分钟”、“第1-4分钟”、“第1-5分钟”、“第2-3分钟”、“第2-4分钟”、“第2-5分钟”、“第3-4分钟”、“第3-5分钟”、“第4-5分钟”分段进行存储;计算所有陀螺采样位置的细分分段存储陀螺数据的平均值,将平均值代入水平状态下二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果计算公式,得到水平状态下陀螺在每个位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置的所有备选捷联式陀螺寻北方案的1组寻北结果。
本实施例重复进行8个寻北测回,得到8组寻北结果,代入寻北精度计算公式,可得到水平状态下陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度;软件整个测试过程完全自动化,无需人工操作或干预,只需查看最终测试结果即可,如图1所示。
由于篇幅所限,本实施例仅列出四位置寻北方式的自动化测试结果,实际最终测试结果会同时列出包括二位置、三位置第一种旋转方式、三位置第二种旋转方式、四位置寻北方式的全部自动化测试结果,本实施例自动化测试结果如表1:
表1 实施例一自动化测试结果
通过自动化测试结果可知,经过一次自动化测试即可得到水平状态下待测陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度。
自动化测试结果中,二位置寻北方式每个寻北测回的寻北结果值由公式计算得到,三位置第一种旋转寻北方式每个寻北测回的寻北结果值由公式计算得到,三位置第二种旋转寻北方式每个寻北测回的寻北结果值由公式计算得到,四位置寻北方式每个寻北测回的寻北结果值由公式计算得到,寻北平均值由8个寻北测回的寻北结果值根据公式计算得到,1σ寻北精度由8个寻北测回的寻北结果值和寻北平均值根据公式计算得到。
结合几种陀螺的自动化测试结果,根据实际应用需求,即可快速选取合适的寻北方案和陀螺型号。
实施例二:陀螺型号为IXZ-F98H。将陀螺安装到陀螺测量机器人,将陀螺测量机器人调平;运行陀螺测量机器人寻北精度自动化测试软件,通过IO控制供电继电器吸合使陀螺测量机器人断电20分钟后重新加电,通过控制陀螺寻北仪水平旋转、读取陀螺寻北仪水平旋转角度和读取陀螺数据进行快速粗寻北,粗寻北完成后得到陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角,同时得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角对应的码盘角,对所有陀螺采样位置码盘角做并集运算,得到所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合,控制陀螺寻北仪水平顺序转动一周,将陀螺依次转动到完成二位置、三位置、四位置捷联寻北所需的所有陀螺采样位置最小集合中的每个陀螺采样位置,并在转动到每个位置后先等待4秒再进行采样,在每个陀螺采样位置采样5分钟数据,并将5分钟的采样数据分段进行存储。
本实施例将5分钟的采样数据按照“前1分钟”、“前2分钟”、“前3分钟”、“前4分钟”、“前5分钟”、“第1-2分钟”、“第1-3分钟”、“第1-4分钟”、“第1-5分钟”、“第2-3分钟”、“第2-4分钟”、“第2-5分钟”、“第3-4分钟”、“第3-5分钟”、“第4-5分钟”分段进行存储;计算所有陀螺采样位置的细分分段存储陀螺数据的平均值,将平均值代入水平状态下二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果计算公式,得到水平状态下陀螺在每个位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置的所有备选捷联式陀螺寻北方案的1组寻北结果。
本实施例重复进行8个寻北测回,得到8组寻北结果,代入寻北精度计算公式,可得到水平状态下陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度;软件整个测试过程完全自动化,无需人工操作或干预,只需查看最终测试结果即可,如图1所示。
由于篇幅所限,本实施例仅列出部分自动化测试结果,自动化测试结果如表2:
表2 实施例二部分自动化测试结果
结合几种陀螺的自动化测试结果,根据实际应用需求,即可快速选取合适的寻北方案和陀螺型号。
Claims (5)
1.一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,其特征在于:经过一次自动化测试得到所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度,所述备选捷联式陀螺寻北方案为水平状态下基于二位置、三位置、四位置的不同捷联式陀螺寻北方式、不同型号的陀螺、在每个位置采样陀螺数据的不同时间段、在每个位置采样陀螺数据的不同时长的组合,包括以下步骤:
步骤1、在所述捷联式陀螺寻北仪相应位置安装待测陀螺,然后将捷联式陀螺寻北仪调平;
步骤2、通过控制所述捷联式陀螺寻北仪供电电源的开关,使捷联式陀螺寻北仪断电一定时间后重新加电,以保证每个寻北测回都为刚加电冷启动状态;
步骤3、利用所述捷联式陀螺寻北仪自带转位机构、自带码盘和所述待测陀螺进行快速粗寻北,得到捷联式陀螺寻北仪上待测陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角;
步骤4、通过所述捷联式陀螺寻北仪上待测陀螺安装位置码盘角对应的粗略北向角,计算得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角对应的捷联式陀螺寻北仪自带码盘的码盘角;
步骤5、对所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置码盘角做并集运算,进而得到二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合,所述捷联式陀螺寻北仪自带转位机构顺序转动一周完成对二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的所有陀螺采样位置最小集合的转位;
步骤6、依次转动到所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式所需的码盘角的最小集合中的每个陀螺采样位置,在每个陀螺采样位置分别进行一定时长的稳定陀螺数据采样,并将每个位置采样的稳定陀螺数据按不同采样时间段、不同采样时长进行细分分段存储;
步骤7、计算所有细分分段存储陀螺数据的平均值,将所述平均值代入水平状态下二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果计算公式,得到水平状态下所述待测陀螺在每个位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置的所有备选捷联式陀螺寻北方案的1组寻北结果;
步骤8、所述步骤2至步骤7为一个寻北测回,自动重复执行N次步骤2至步骤7,得到水平状态下所述待测陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的N组寻北结果,将N组寻北结果代入寻北精度计算公式,得到水平状态下所述待测陀螺在每个陀螺采样位置不同采样时间段、不同采样时长下二位置、三位置、四位置所有备选捷联式陀螺寻北方案的寻北精度,所述寻北精度计算公式如下:
式中,ψ i为第i组寻北结果,单位:°,E为N组寻北结果的平均值,单位:°,1σ为寻北精度,单位:°。
2.根据权利要求1所述的一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,其特征在于:在步骤3中,所述快速粗寻北方案为:采用四位置捷联式陀螺寻北方式,每个陀螺采样位置进行一定时间稳定陀螺数据采样,第一个陀螺采样位置设置为开始快速粗寻北时所述待测陀螺所处的位置以避免不必要的转位时间。
3.根据权利要求1所述的一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,其特征在于:在步骤4中,设置所述二位置捷联式陀螺寻北方式中两个陀螺采样位置粗略北向角为真北5°、185°;设置所述三位置捷联式陀螺寻北方式中特定两种旋转方式的三个陀螺采样位置粗略北向角分别为真北45°、135°、315°和135°、225°、315°;设置所述四位置捷联式陀螺寻北方式中四个陀螺采样位置粗略北向角为真北45°、135°、225°、315°。
4.根据权利要求3所述的一种捷联式陀螺寻北仪水平寻北精度自动化测试方法,其特征在于:对所述二位置、三位置、四位置捷联式陀螺寻北方式中所有陀螺采样位置粗略北向角对应的码盘角做并集运算,得到所需的所有陀螺采样位置码盘角的最小集合为真北5°、45°、135°、185°、225°、315°。
式中,ωie为地球自转角速度,单位:°/s,L为当地纬度,ω5°为陀螺采样位置为粗略北向角真北5°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω185°为陀螺采样位置为粗略北向角真北185°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s;
水平状态下三位置捷联式陀螺寻北方式的第一种旋转方式寻北结果ψ 31和第二种旋转方式寻北结果ψ 32,单位:°,计算公式如下:
式中,ω45°为陀螺采样位置为粗略北向角真北45°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω135°为陀螺采样位置为粗略北向角真北135°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω225°为陀螺采样位置为粗略北向角真北225°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω315°为陀螺采样位置为粗略北向角真北315°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s;
水平状态下四位置捷联式陀螺寻北方式寻北结果ψ 4,单位:°,计算公式如下:
式中,ω45°为陀螺采样位置为粗略北向角真北45°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω135°为陀螺采样位置为粗略北向角真北135°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω225°为陀螺采样位置为粗略北向角真北225°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s,ω315°为陀螺采样位置为粗略北向角真北315°时采样得到的陀螺数据的平均值,单位:°/s。
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