一种低成本单陀螺航位推算导航方法及系统技术方案

本发明专利技术针对传统的导航系统存在的成本较高、体积重量较大、航向误差积累等问题，提供了一种低成本单陀螺航位推算导航方法及系统，该系统利用航向感应传感器(如磁传感器，亦可为偏振光传感器)提供航向参考，采用1个光学陀螺(敏感轴指天向)与航向传感器组合提供高精度动态航向，两个加速度计负责测量载体姿态，一个里程计提供载体里程增量，利用航向、姿态、里程信息进行航位推算，从而计算载体位置，具有小体积、低功耗、低成本等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种单巧螺导航技术，具体设及一种低成本单巧螺航位推算导航方法 及系统。
技术介绍
在军、民领域中的各类设备上，惯性导航系统作为一种现代化导航设备已被广泛 应用。惯性导航系统主要分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类。捷联 惯性导航系统和平台式惯性导航系统一样，能精确提供载体的姿态、地速、经绅度等导航参 数。 捷联惯性导航系统有W下独特优点；去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为 简单，减小了系统的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。目前的导航 系统通常由3个巧螺、3个加速度计组成，虽然具有选配的灵活性，但是由于使用3个巧螺造 成了成本、体积、重量等的增加。 因此，有必要研究出一种低成本单巧螺航位推算导航方法及系统，从而解决现有 技术的上述缺陷。
技术实现思路
针对捷联导航系统存在的成本较高、航向误差积累、体积、重量较大等问题，本发 明提供了一种低成本单巧螺航位推算导航方法及系统，该系统利用航向感应传感器（如磁 传感器，亦可为偏振光传感器）提供航向参考，采用1个光学巧螺（敏感轴指天向）与航向 传感器组合提供高精度动态航向，两个加速度计负责测量载体姿态，一个里程计提供载体 里程增量，利用航向、姿态、里程信息进行航位推算，从而计算载体位置，具有小体积、低功 耗、低成本等诸多优点。 本专利技术请求提供了一种低成本单巧螺航位推算导航方法，该方法包括W下步骤：巧驟S101，利用磁威麻计与化学蛇螺计算裁体系X轴的航向巧1])；[000引假设初始阶段，磁感应计受磁场环境扰动较小，则通过1分钟的静止状态，对磁感 应计的航向角输出作平滑，得到初始航向角 采用光学巧螺辅助磁感应计进行航向角计算，利用光学巧螺输出进行航向角更 新： iti=iti_i+QjgSin(L)cos( 0 ) (1) 其中，（i-l)-i表示一个采样周期（Ts)，iD为i时刻的航向角，QH为（i-l)-i时刻的巧螺输出（单位为弧度），Qi。为一个采样周期内的地球自转角度，L为当地绅度，0 为载体俯仰角； 巧螺测量值存在漂移，会导致航向角误差随时间积累，利用磁感应计对巧螺的积 累误差进行补偿，令1]^6二4 1表示1时刻巧螺解算的航向角，4 ?表示磁感应计解算到的航 向角；)典消除巧螺漂移等因素的航向角累计误差： 条件1 : T，其中tgyr。为巧螺推算时间，T为某常值参数；条件2:公式似成立。【主权项】1. 一种低成本单陀螺航位推算导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 步骤S101，利用磁感应计与光学陀螺计筧裁体系X轴的航向角Φ : 假设初始阶段，磁感应计受磁场环境扰动较小，则通过1分钟的静止状态，对磁感应计 的航向角输出作平滑，得到初始航向角 采用光学陀螺辅助磁感应计进行航向角计算，利用光学陀螺输出进行航向角更新： Φ i= Φ Η+Ω Η-Ω i θ sin (L) COS ( Θ ) (I) 其中，（i-l)-i表示一个采样周期（Ts)，1]^为1时刻的航向角，Ω η为（i-l)-i时刻 的陀螺输出（单位为弧度），Ω&为一个采样周期内的地球自转角度，L为当地炜度，Θ为 载体俯仰角； 陀螺测量值存在漂移，会导致航向角误差随时间积累，利用磁感应计对陀螺的积累误 差进行补偿，令f = Φ i表示i时刻陀螺解算的航向角，Φ M表示磁感应计解算到的航向 角； 当满足如下条件时，利用ΦΜ替换Φ i以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差： 条件l:tgyro> T，其中t gyM为陀螺推算时间，T为某常值参数； 条件2:公式⑵成立。(2) 其中表示-个平渭周期内的φ G_，标+州骨翻内 ΦΜ均值；将一个平滑周期分为k个子周期，即Ts_th=k*Ts;S φ i表示第i个子周期内的 f与Φ M差值，即J为航向角波动阈值； 不等式左侧第一项反映磁感应计与陀螺解算航向角的常值偏差，第二项反映磁感应计 受磁场影响的波动程度；当不等式成立时，表明磁感应计周围磁场无异常波动，可以用ΦΜ 替换^以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差； 步马聚S102,禾Ij用加谏.计Al i十算裁体俯j卬角Θ ： 加速度计Al计算载体俯仰角Θ的公式如下（见公式3)，其中al表示加速度计Al的测量输出量，g为重力加速度，定义载体车头上扬时Θ角 为正； ab的计算过程如公式5, 6所示： ab= X 2 (5) X2 (k+1) = X2 (k) _h*r*sat (g (k)，δ ) (6)Z1 (k) = e (k) +hx2 (k) (9) δ = hr，δ J= h δ (10) e (k) = X1 (k) -ν (k) (11) X1 (k+1) = X1 (k)+hx2 (k) (12) X2 (k)为加速度输出，h为采样步长，r为输入调节参数，依据实际信号特性人为选取， 用来调节微分器性能，S是中间变量，为平滑周期；v(k)为速度，Xl(k)表示预测速度，v(k) 为ν的离散形式； 由公式6-12联立，进而通过ab= X2，可以获得ab; 最后由公式3获得载体俯仰角Θ ; 步骤S103,利用単稈计计筧一个采样周期的単稈增量As : 一个采样周期的里程增量为： As = KN (13) 其中，脉冲数N为里程计一个采样周期内的脉冲数；K为里程系数，需要事先标定，N为 里程计脉冲数； 步骤S104,计筧裁体在行驶讨稈中的位詈（坐标）： 假设载体的初始坐标为（X〇, Ytl)，载体在行驶过程中，k时刻的坐标（Xk，Yk)可通过公式 (14)得到：其中θρ Λ Si分别为第i个采样周期的航向角、俯仰角、里程增量。2. -种低成本单陀螺航位推算导航系统，其特征在于包括： 姿态测量单元，包括光学陀螺，磁感应计，两个加速度计，其中姿态测量单元坐标系选 取前-左-上分别作为x-y-z ;光学陀螺敏感轴与z轴重合指向天向；两个加速度计敏感轴 分别指向X和y轴方向；磁感应计零位指向X轴方向；姿态测量单元将各个光学陀螺，磁感 应计，两个加速度计的信号传输给信号采集电路； 信号采集电路，用于将接收的信号经过A/D转换，通过串行通信接口发送给处理器； 里程计，用于将载体轮胎的转动转换为脉冲，通过信号采集电路送给处理器； 处理器，接收信号采集电路发送的信号，得到载体的位置、速度、姿态，并计算载体的位 置。3. 如权利要求2所述的系统，其特征在，处理器计算载体的位置是通过权利要求1所述 的导航方法获得的。【专利摘要】本专利技术针对传统的导航系统存在的成本较高、体积重量较大、航向误差积累等问题，提供了一种低成本单陀螺航位推算导航方法及系统，该系统利用航向感应传感器(如磁传感器，亦可为偏振光传感器)提供航向参考，采用1个光学陀螺(敏感轴指天向)与航向传感器组合提供高精度动态航向，两个加速度计负责测量载体姿态，一个里程计提供载体里程增量，利用航向、姿态、里程信息进行航位推算，从而计算载体位置，具有小体积、低功耗、低成本等诸多优点。【IPC分类】G01C21-20【公开号】CN104864874【申请号】CN201510345399【专利技术人】韩勇强, 田晓春, 李楠, 徐建华, 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本单陀螺航位推算导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤S101，利用磁感应计与光学陀螺计算载体系x轴的航向角ψ；假设初始阶段，磁感应计受磁场环境扰动较小，则通过1分钟的静止状态，对磁感应计的航向角输出作平滑，得到初始航向角ψ0；采用光学陀螺辅助磁感应计进行航向角计算，利用光学陀螺输出进行航向角更新：ψi＝ψi‑1+Ωi‑1‑Ωiθsin(L)cos(θ)   (1)其中，(i‑1)‑i表示一个采样周期(Ts)，ψi为i时刻的航向角，Ωi‑1为(i‑1)‑i时刻的陀螺输出(单位为弧度)，Ωie为一个采样周期内的地球自转角度，L为当地纬度,θ为载体俯仰角；陀螺测量值存在漂移，会导致航向角误差随时间积累，利用磁感应计对陀螺的积累误差进行补偿，令ψG＝ψi表示i时刻陀螺解算的航向角，ψM表示磁感应计解算到的航向角；当满足如下条件时，利用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差：条件1:tgyro＞T,其中tgyro为陀螺推算时间，T为某常值参数；条件2:公式(2)成立。(ψTsmoothG‾-ψTsmoothM‾)+&Sigma;i=1kδψi-δψi-1Tsk<J---(2)]]>其中表示一个平滑周期Tsmooth内的ψG均值，表示一个平滑周期内ψM均值；将一个平滑周期分为k个子周期，即Tsmooth＝k*Ts；δψi表示第i个子周期内的ψG与ψM差值，即J为航向角波动阈值；不等式左侧第一项反映磁感应计与陀螺解算航向角的常值偏差，第二项反映磁感应计受磁场影响的波动程度；当不等式成立时，表明磁感应计周围磁场无异常波动，可以用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差；步骤S102，利用加速计A1计算载体俯仰角θ；加速度计A1计算载体俯仰角θ的公式如下(见公式3)，θ=arcsim(-a1-abg)---(3)]]>其中a1表示加速度计A1的测量输出量，g为重力加速度，定义载体车头上扬时θ角为正；ab的计算过程如公式5,6所示：ab＝x2   (5)x2(k+1)＝x2(k)‑h*r*sat(g(k)，δ)   (6)其中：sat(x,δ)=sign(x),|x|>δxδ,|x|≤δ---(7)]]>g(k)=x2(k)-sign(z1(k))r(h-s|z1(k)|z+hz)2,|z1(k)|≥δ1x2(k)+z1(k)h,|z1(k)|≥δ1---(8)]]>z1(k)＝e(k)+hx2(k)   (9)δ＝hr，δ1＝hδ   (10)e(k)＝x1(k)‑v(k)   (11)x1(k+1)＝x1(k)+hx2(k)   (12)x2(k)为加速度输出，h为采样步长，r为输入调节参数，依据实际信号特性人为选取，用来调节微分器性能，δ是中间变量，为平滑周期；v(k)为速度，x1(k)表示预测速度，v(k)为v的离散形式；由公式6‑12联立，进而通过ab＝x2，可以获得ab；最后由公式3获得载体俯仰角θ；步骤S103，利用里程计计算一个采样周期的里程增量Δs；一个采样周期的里程增量为：Δs＝KN   (13)其中，脉冲数N为里程计一个采样周期内的脉冲数；K为里程系数，需要事先标定，N为里程计脉冲数；步骤S104，计算载体在行驶过程中的位置(坐标)；假设载体的初始坐标为(X0，Y0)，载体在行驶过程中，k时刻的坐标(Xk，Yk)可通过公式(14)得到：{Xk=X0+Σi=1kcos(ψi)cos(θi)ΔsiYk=Y0+Σi=1ksin(ψi)cos(θi)Δsi---(14)]]>其中ψi、θi、Δsi分别为第i个采样周期的航向角、俯仰角、里程增量。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩勇强，田晓春，李楠，徐建华，刘星桥，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11