一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法

摘要

本发明属于惯性测量技术或地球物理实验与仪器领域，具体涉及一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法。目的是在载体存在大姿态角的条件下，且无需调平、无需知道测点纬度的情况下实现快速、精确寻北测量，提高测地作业速度。它使用以角速度Ω匀速转动的转台，转台上安装1个陀螺仪，2个加速度计；首先，利用2个加速度计求解：俯仰角和横滚角；然后，利用陀螺仪求解地理纬度L和航向角；在计算得到初值之后，采用实时递推的最小二乘方法算法提高精度。本发明的优点是无需调平、无需知道测点纬度的情况下实现快速、精确寻北测量，提高测地作业速度。

主权项

一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法，其特征在于：使用以角速度Ω匀速转动的转台，转台上安装1个陀螺仪，2个加速度计；转台以垂直方向为轴旋转；所述陀螺仪水平安装在支架安装孔内，其敏感轴线与转轴正交，且转台过零位时，陀螺测量坐标系x轴方向指向光电圆光栅尺读数头的零位线；2只加速度计3分别沿双轴陀螺的两个敏感轴的方向，垂直安装在单轴转台支架上方互相垂直的两个安装孔内；设东北天坐标系(OXnYnZn)(n系)；旋转台体坐标系(OXbYbZb)(b系)的Xb轴指向光栅零位，Yb轴指向光栅90°方向，Zb轴指向旋转轴；陀螺测量坐标系(OXmYmZm)(m系)的Xm轴指向加速度计1，Ym方向指向加速度计2，Zm轴指向旋转轴；当地地理纬度为L；寻北仪台体的俯仰/横滚/航向角分别为0、γ、φ，求解过程包括如下步骤：首先，利用加速度计求解：俯仰角和横滚角；当惯性测量单元IMU相对台体的瞬时角位置为α＝Ω·t+φ₀时，其中Ω为台体转速，φ₀为初始相位，读取加速度计测量值为f_mx、f_my，变换到台体坐标系后，x轴、y轴上的比力为：$\left[\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{bx}}\\ f_{\mathrm{by}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{mx}}\cos \alpha -f_{\mathrm{my}}\sin \alpha \\ f_{\mathrm{mx}}\sin \alpha +f_{\mathrm{my}}\cos \alpha \end{array}\right]$则θ＝sin^‑1(f_by/g)γ＝sin^‑1(‑f_bx/g/cosθ)然后，利用陀螺仪求解地理纬度L和航向角Φ；所述寻北方法的粗寻北方案采用的就是正交解调法，其数学原理是：ω_g＝‑[(‑cosγsinφ+sinγsinθcosφ)cosL‑sinγcosθsinL]Ω_esinα+(cosθcosφcosL+sinθsinL)Ω_ecosα由于：设姿态角θ、γ均为0时，可以简化为：ω_g＝(sinφcosα+cosφsinα)Ω_ecosL＝Ω_ecosL·sin(α+φ)令：A＝Ω_ecosL·cosφ，B＝Ω_ecosL·sinφ，则有：ω_g＝(Asinα+Bcosα)分别用sinα、cosα(α＝Ω·t+φ₀)乘以上式，然后两端积分可得：$\left\{\begin{array}{c}\hat{A}=\frac{\Omega }{4}{\int }_0^T{\omega }_g\mathrm{sgn}\left[\cos \left(\mathrm{\Omega t}\right)\right]\mathrm{dt}\\ \hat{B}=\frac{\Omega }{4}{\int }_0^T{\omega }_g\mathrm{sgn}\left[\cos \left(\mathrm{\Omega t}\right)\right]\mathrm{dt}\end{array}\right.$于是有：${\hat{\phi }}_d=\arctan (\hat{B}/\hat{A}),L={\cos }^{-1}\left(\sqrt{({\hat{A}}^2+{\hat{B}}^2)/2{\Omega }_e}\right)$即转台旋转一周后即可给出真北方位的概略值。