专利名称：一种旋转式捷联光纤罗经实现的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用惯性传感器(光纤陀螺仪和加速度计)实现对载体航向和姿态的测量技术，并能够在高纬度地区给载体提供航向，属于导航、制导技术领域。
背景技术：
旋转技术早期应用于静电陀螺系统，对保持静电陀螺长时间工作的精度十分有效。自从光学陀螺出现以后，利用旋转调制消除陀螺常值漂移对导航计算结果的影响，大大提高了系统长时间导航精度。目前，国内外主要将旋转式机构应用到激光惯导系统中去。Sperry公司的WSN-7B系统为目前应用最广泛的旋转式惯导系统。随着光纤陀螺技术的迅速发展，捷联光纤罗经已经成为国内外的研究热点。与传统陀螺罗经相比，捷联光纤罗经具有全固态、体积小、启动快、可靠性高等优点。LITEF公司的LFK-95型光纤捷联罗经的对准时间30min，航向精度为O. 7° secL，水平精度为0.5°，法国IXSEA公司的OCTANS光纤捷联罗经能够在5min内完成对准，航向精度达到O. 1° 86(^，水平精度优于0.01。(RMS)。因此，将旋转技术应用到捷联光纤罗经系统中，为船舶提供高精度的航向和姿态信息，具有十分重要的意义。目前也有部分与本发明有关的研究报告，I、例如专利申请号为200910044759.9，名称为“基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统”。2、旋转式光学陀螺捷联惯导系统的旋转方案设计，中国惯性技术学报，2009，17 (I)。

发明内容
本发明针对光纤陀螺的常值漂移会随着时间发生改变，提出一种采用旋转来抑制 陀螺常值漂移对导航解算精度影响的旋转式捷联光纤罗经实现的方法，该方法投入成本较低，但可以大幅提高光纤捷联罗经系统的导航精度。本发明的目的是这样实现的在低纬度使用的修正状态算法包括以下步骤步骤I定乂坐标系导航坐标系η系以载体质心为原点，xn、yn、zn分别指向所在地的东、北、天，地球坐标系e系以地心为原点，Xe轴穿越本初子午线与赤道的交点，Ye轴穿越东经90°子午线与赤道的交点，Ze轴穿越地球北极点，载体坐标系b系以载体中心为原点，Xb轴沿横轴指向右，Yb轴沿纵轴指向前，Zb轴垂直载体指向上,旋转坐标系P系以旋转台面的中心为原点，Zp轴沿转轴指向上，Xp轴和yp轴位于旋转台面内，并和台面一起旋转，三个坐标轴构成右手坐标系，惯性坐标系i系以地心为原点，Xi轴指向春分点，Zi轴沿地球自转轴，Yi轴与Xi、Zi轴构成右手坐标系，游离坐标系Te系，水平轴乂和相对于导航坐标系的东向轴和北向轴存在游离方位角af，经线地球坐标系e(l系以地球中心为原点，并与地球同步旋转，戈、八轴在地球赤道平面内轴指向载体所在点经线，夂轴指向地球自转轴方向，经线地心惯性坐标系L系定义为在粗对准起始时刻将经线地球坐标系惯性凝固成的右手坐标系，载体惯性坐标系ib(1系定义为在粗对准起始时刻将载体坐标系惯性凝固后的坐标系，计算导航坐标系C系定义为计算机输出结果确定的导航坐标系，步骤2根据三只光纤陀螺仪的输出数据與〗，三只石英加速度计的输出数据fp，以及地球自转角速率ω吣重力加速度g、载体所在地的纬度L，应用基于惯性系重力矢量的解析对准算法计算导航坐标系η系与载体坐标系b系之间的转移矩阵
权利要求
1.一种旋转式捷联光纤罗经的实现方法，包括在低纬度使用的修正状态算法和高纬度使用的方位仪状态算法，所述的旋转式捷联光纤罗经由包含3只光纤陀螺和3只石英挠性加速度计的惯性测量装置A和单轴机械转台B两大部分组成，采用标准紧固螺钉将惯性测量装置A固定在单轴机械转台B上，其特征在于， 在低纬度使用的修正状态算法包括以下步骤 步骤I定义坐标系导航坐标系η系以载体质心为原点，xn、yn、zn分别指向所在地的东、北、天，地球坐标系e系以地心为原点，Xe轴穿越本初子午线与赤道的交点，轴穿越东经90°子午线与赤道的交点，Ze轴穿越地球北极点，载体坐标系b系以载体中心为原点，Xb轴沿横轴指向右，Yb轴沿纵轴指向前，zb轴垂直载体指向上，旋转坐标系P系以旋转台面的 中心为原点，zp轴沿转轴指向上，xp轴和yp轴位于旋转台面内，并和台面一起旋转，三个坐标轴构成右手坐标系，惯性坐标系i系以地心为原点，Xi轴指向春分点，Zi轴沿地球自转轴，Yi轴与Xi、Zi轴构成右手坐标系，游离坐标系Te系，水平轴^和相对于导航坐标系的东向轴和北向轴存在游离方位角a f，经线地球坐标系％系以地球中心为原点，并与地球同步旋转，气、^轴在地球赤道平面内，轴指向载体所在点经线, 轴指向地球自转轴方向，经线地心惯性坐标系L系定义为在粗对准起始时刻将经线地球坐标系惯性凝固成的右手坐标系，载体惯性坐标系ib。系定乂为在粗对准起始时刻将载体坐标系惯性凝固后的坐标系，计算导航坐标系c系定义为计算机输出结果确定的导航坐标系， 步骤2根据三只光纤陀螺仪的输出数扎〃三只石英加速度计的输出数据fp，以及地球自转角速率ω吣重力加速度g、载体所在地的纬度L，应用基于惯性系重力矢量的解析对准算法计算导航坐标系η系与载体坐标系b系之间的转移矩阵完成光纤捷联罗经系统初始对准，所述应用基于惯性系重力矢量的解析对准算法完成光纤捷联罗经系统初始对准的过程如下 步骤2. I计算导航坐标系η系与经线地球坐标系e(l系之间的转移矩阵O
2.根据权利要求I所述一种旋转式捷联光纤罗经的实现方法，其特征在于 所述步骤4中载体坐标系b系相对于计算导航坐标系c系的姿态变换矩阵('(幻具体解算过程包括 步骤4. I根据k时刻获取的三只光纤陀螺仪的输出数据<和三个加速度计的输出数据fP，用四元数法对旋转坐标系P系相对于计算导航坐标系c系的姿态变换矩阵C〗(幻进行更新
3.根据权利要求I所述一种旋转式捷联光纤罗经的实现方法，其特征在于所述步骤5中姿态校正的计算过程包括 建立以东向失准角、北向失准角Φη、天向失准角为状态，以东向比力信息fe和北向比力信息fn为量测的旋转式捷联光纤罗经系统卡尔曼滤波模型， 系统状态向量为X= [Φ6, Φη. Φ」τ，系统矩阵F为
4.根据权利要求I所述的旋转式捷联光纤罗经的实现方法，其特征在于，所述步骤8中载体的航机角Ψτ)3的提取过程如下 步骤8. I根据r时刻获取的三只光纤陀螺仪的输出数据<以及游离方位角af，通过四元数法对旋转坐标系P系相对于游离坐标系Te系的姿态变换矩阵( (〃)进行更新
5.根据权利要求I所述的旋转式捷联光纤罗经的实现方法，其特征在于，所述步骤9中方向余弦计算过程包括 设
全文摘要
本发明提供的是一种旋转式捷联光纤罗经的实现方法。步骤包括定义坐标系，根据系统采集的光纤陀螺和石英加速度计数据等信息，完成旋转式捷联光纤罗经系统的初始对准，确定初始姿态矩阵；按照设定的单轴旋转方案进行间断型往返转动，利用四元数微分方程完成姿态更新；同时根据外界提供的信息完成航向修正。在方位仪状态，通过旋转抑制陀螺常值漂移造成的导航误差，在高纬度地区更好地跟踪载体航向。
文档编号G01C21/16GK102829781SQ20121031255
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者程向红, 邵刘军, 周本川, 衡敏, 王晓飞 申请人:东南大学