基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统

摘要

本发明公开了一种基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，由惯性测量装置A和单轴精密机械转台B两大部分组成。在惯性测量装置A中，激光陀螺和石英加速度计与支架之间均采用全刚性联接，采用标准紧固螺钉将惯性测量装置A固定在单轴精密转台B上，精确标校惯性测量装置A与单轴精密转台B之间的相对姿态，保证惯性测量装置A解算姿态的精度和同步性。利用单轴精密机械转台的周期性旋转调制惯性测量单元中惯性器件的常值漂移，提高姿态测量系统的对准精度和导航姿态精度。本发明能为载体(舰船)提供长时间、实时、完整的高精度姿态信息，提高载体的综合作战能力。

主权项

1.一种基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统，其特征在于长时间、实时的为载体提供高精度的姿态信息。通过以下步骤实现：(1)全刚性联接结构。在惯性测量装置A中，激光陀螺和石英加速度计与支架之间均采用全刚性联接，通过标准紧固螺钉将惯性测量装置A固定在单轴精密转台B上，保证惯性测量装置A解算的姿态的精度以及惯性测量装置A和精密转台B之间的同步性。精确标校惯性测量装置A与单轴精密转台B的相对姿态，以转台台体姿态作为系统的姿态输出。(2)单轴旋转方式。惯性导航系统在对准及导航过程中，利用单轴转台旋转惯性测量单元，减小水平陀螺常值漂移对系统的影响并提高初始对准的精度。单轴转台采用四位置转/停的旋转方式。(3)精确的惯性测量单元安装标定。采集惯性测量单元中激光陀螺和加速度计的输出信号，在带有温箱的三轴转台上精确标定激光陀螺和加速度计在不同温度下的安装误差和标度因数误差，对惯性器件进行误差补偿。(4)精确的多位置初始对准。利用单轴转台周期性的改变惯性测量单元的航向，设计了一种高精度的基于转动基座的初始对准方法。以水平速度和位置信息作为观测量，运用卡尔曼滤波器，精确估计惯导系统的初始平台误差角φ_E，φ_N，φ_U，陀螺漂移ε_E，ε_N，ε_U，加速度计漂移a_E，a_N，a_U，水平速度误差v_E，v_N，并反馈给导航系统进行补偿，得到惯导系统精确的初始横滚角、俯仰角、航向角信息。(5)高精度的姿态解算算法。采集激光陀螺输出的载体相对于惯性坐标系的角速度计算旋转矢量Φ，采用优化的双子样算法更新旋转矢量Φ，即其中，θ为补偿周期的角增量之和，θ′为前一补偿周期的角增量之和。利用旋转矢量与四元数的关系，由姿态四元数更新方程更新四元数。通过更新周期内的四元数得到捷联矩阵，获得载体相对导航坐标系的姿态。