一种组合导航和光电探测一体化系统

摘要

一种组合导航和光电探测一体化系统包括惯性测量单元IMU、GPS接收系统、综合计算机、光电稳瞄仪；惯性测量单元内含三个陀螺仪和三个加速度计；综合计算机采集IMU和GPS接收系统的输出信息，实现(1)结合捷联惯导解算算法及卡尔曼滤波算法进行惯性和GPS组合导航解算，得到载体的位置、速度、姿态，同时估计出惯性测量单元所含陀螺仪的漂移；(2)计算视轴稳定指令角速度并控制光电稳瞄仪实现视轴稳定，利用组合导航系统估计得到的陀螺漂移进行视轴稳定误差补偿，提高光电稳瞄仪的视轴稳定精度；(3)利用组合导航解算得到的位置、姿态信息，结合目标的位置信息，计算目标搜索指令角并控制光电稳瞄仪快速搜索并锁定目标。本发明大大降低了系统的体积、重量和成本，同时提高了分系统的性能。

主权项

1.一种组合导航和光电探测一体化系统，其特征在于包括：惯性测量单元(1)、GPS接收系统(2)、综合计算机(3)、光电稳瞄仪(6)；综合计算机(3)采集惯性测量单元(1)和GPS接收系统(2)的数据信息，实现三大功能：第一、结合捷联惯导解算算法(4)及卡尔曼滤波算法(5)进行惯性和GPS组合导航解算，得到载体的位置、速度和姿态，同时估计出惯性测量单元(1)所含陀螺仪的漂移；第二、根据组合导航解算得到的载体的位置、速度和姿态，计算视轴稳定指令角速度并控制光电稳瞄仪(6)实现视轴的惯性空间稳定；第三、利用组合导航解算得到的位置和姿态信息，结合目标位置信息，计算目标搜索指令角并控制光电稳瞄仪(6)快速搜索并锁定目标；所述综合计算机(3)控制光电稳瞄仪(6)实现视轴稳定的具体过程为：a.综合计算机(3)采集惯性测量单元(1)输出的沿载体坐标系的角速度及比力和GPS接收系统(2)输出的纬度经度λ_gps、东向速度北向速度并结合捷联惯导解算算法(4)和卡尔曼滤波算法(5)，解算出安装载体的纬度经度λ、速度俯仰角φ_x、横滚角φ_y、航向角φ_z，并且估计出惯性测量单元(1)所含陀螺仪的漂移值b.将惯性测量单元(1)输出的角速度信息进行漂移补偿，得到载体的运动角速度的表达式为：${\bar{\omega }}_b={\bar{\omega }}_{\mathrm{bm}}-{\overline{ϵ}}_b$对载体的运动角速度进行坐标变换得到光电稳瞄仪(6)视轴扰动角速度其表达方式为：其中为载体坐标系至视轴坐标系的变换矩阵；c.以作为光电稳瞄仪(6)的输入指令，控制光电稳瞄仪(6)转动，即实现了视轴的惯性空间稳定；所述的综合计算机(3)控制光电稳瞄仪(6)快速搜索并锁定目标的具体过程为：A.目标纬度和经度λ_T由指挥系统提供，组合导航系统提供载体的纬度经度λ、俯仰角φ_x、横滚角φ_y、航向角φ_z，利用上述信息计算出目标所在地的地理坐标系相对于安装载体坐标系的转角的表达式为：B.定义光电稳瞄仪(6)安装基座坐标系相对于载体坐标系的安装偏角为(α_x，α_y，α_z)^T，根据步骤A计算得到的目标地理坐标系相对于载体坐标系的转角求得目标地理坐标系相对于光电稳瞄仪安装基座坐标系的转角的表达式为：$\left(\begin{array}{c}{\phi }_{\mathrm{oT}}^x\\ {\phi }_{\mathrm{oT}}^y\\ {\phi }_{\mathrm{oT}}^z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\sin }^{-1}\left({-T}_{23}\right)\\ {\mathrm{tg}}^{-1}(-T_{13}/T_{33})\\ {\mathrm{tg}}^{-1}(-T_{12}/T_{22})\end{array}\right)$其中，为目标地理坐标系至载体坐标系的旋转矩阵，为载体坐标系至光电稳瞄仪安装基座坐标系的旋转矩阵，分别表示为：$R\left({\bar{\phi }}_{\mathrm{cT}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^y& 0& -\sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^y& 0& \cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^y\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^x& \sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^x\\ 0& -\sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^x& \cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^x\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^z& \sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^z& 0\\ -\sin {\phi }_{\mathrm{cT}}^z& \cos {\phi }_{\mathrm{cT}}^z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$$R\left(\bar{\alpha }\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_y& 0& -\sin {\alpha }_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\alpha }_y& 0& \cos {\alpha }_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\alpha }_x& \sin {\alpha }_x\\ 0& -\sin {\alpha }_x& \cos {\alpha }_x\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{\cos \alpha }_z& \sin {\alpha }_z& 0\\ -\sin {\alpha }_z& \cos {\alpha }_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$C.根据步骤B的计算结果，求得目标搜索指令角为：方位角俯仰角${ϵ}_p=-{\phi }_{\mathrm{oT}}^x;$D.根据步骤C的计算结果，综合计算机(3)即可控制光电稳瞄仪快速转动方位角η_p和俯仰角ε_p，使光轴迅速指向目标。