一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法技术方案

一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；安装结构，包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚；每个安装基准脚有两个安装基准脚螺纹孔；四面体框架关于三条梁对称，并为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，三角凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个底面螺纹孔；惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。

Four redundancy double axis rotary modulation strapdown inertial navigation system and navigation method

Includes a four redundancy rotation modulation of strapdown inertial navigation system, installation structure, the inertial measurement unit, biaxial rotation mechanism; mounting structure, including: three, L tetrahedron frame with supporting legs; the tetrahedron frame includes three inclined surface and a bottom surface; each plane has a frame tetrahedron three installation reference feet each installation reference; feet have two foot mounting reference thread hole; tetrahedron frame on three beams, and hollow structure; L type support foot triangular groove, triangular groove center provided with screw thread; L type support foot surface has two bottom thread holes; the circuit board is a gyroscope inertial measurement unit and an accelerometer and auxiliary components of the integrated circuit board, a mounting hole; four sets of inertial measurement unit with the installation reference pin assembly on a tetrahedron frame four installation The double shaft rotating mechanism is fixedly connected with the mounting structure.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法，属于捷联惯性导航系统性能提升领域。
技术介绍
常规捷联惯性导航系统受限于自身机理其导航误差快速累积，且三轴正交的装配模式会出现单个惯性器件故障直接导致系统失效的问题。目前，通过器件级冗余配置技术，用更低的成本、体积代价，能够有效提升系统的可靠性。同时，利用双轴旋转调制技术，抑制三个轴向的惯性器件误差，实现导航精度的大幅提升。因此，冗余式双轴旋转调制捷联惯性导航方法，可以实现可靠性和导航精度的综合提升。现有的捷联惯导性能提升方法，仅能单一提升系统可靠性或者导航精度。《一种对称斜置式四陀螺惯导冗余配置方案》(发表于期刊《传感器与微系统》，2015年，02期)一文中，提出了一种对称斜置式的四冗余配置方案，实现了最小器件余度下系统可靠性的大幅提升。但是，器件冗余通过数据融合的方式，无法根本改变误差传播机理，对捷联惯导系统精度提升有限。而引入双轴旋转调制技术，能够同时抑制三个轴向的惯性器件误差，并保证导航自主性。但是，该技术仅能提升系统导航精度，无法解决惯性器件故障导致系统直接失效的问题。综上所述，现有的捷联惯性导航系统及性能提升方法无法同时兼顾系统可靠性和导航精度，限制了系统实际工况下的工作效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以同时提升系统的可靠性和导航精度的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法。本专利技术的目的是这样实现的，一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；安装结构，包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚，三个安装基准脚的中心构成等边三角形，三个安装基准脚的上表面共面，且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚有两个螺纹孔，两个螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架关于三条梁对称，为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个螺纹孔；惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，还可以包括：1.四面体安装框架、L型支撑脚均为一体成型。2.所述的L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，包括如下步骤：步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；步骤二、利用双轴旋转调制方案，使双轴旋转机构控制惯性测量组件按照作双轴旋转；步骤三、采集旋转调制作用下的捷联惯性导航系统的陀螺仪测量数据和加速度测量数据；步骤四、利用双轴旋转转换矩阵对步骤三中采集的陀螺仪测量数据和加速度计测量数据进行坐标转换，分别得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值；所述的陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值表达式为式中，和分别为陀螺仪和加速度计在载体坐标系下的测量值；为陀螺仪在旋转坐标系下的测量值；为加速度计在旋转坐标系下的测量值；为双轴旋转引起的旋转坐标系到载体坐标系的转换矩阵。步骤五、应用最小二乘估计算法，计算得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值和所涉及的陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值的计算表达式为式中，H为系统冗余配置矩阵；为陀螺仪载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；为加速度计载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；步骤六、将步骤五计算得到的和进行捷联惯性导航解算，实时解算连续地输出载体的导航信息，直至导航任务结束。本专利技术相对现有技术具有如下的优点和效果：(1)本专利技术的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统能够大幅提升系统可靠性，且系统成本和体积增加，便于在空间有限的导航室使用和维护。(2)本专利技术利用惯性器件自身的测量信息和周期性、有规律的旋转调制提升系统精度，能够有效解决捷联惯性导航系统对外部辅助信息依赖性强而破坏其导航自主性的问题。(3)本专利技术将四冗余配置和双轴旋转调制方法有机地融合，通过冗余配置增强系统的可靠性和精度，通过双轴旋转调制抑制等效惯性器件误差所导致的导航误差积累，实现捷联惯性导航系统可靠性和导航精度的综合提升。附图说明图1为四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统。图2为四冗余捷联惯性导航系统安装结构。图3为安装结构L型支撑脚正视图。图4为安装结构L型支撑脚俯视图。图5为惯性测量组件。图6为四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法基本流程框图。图7为八次序双轴旋转方案。图8为系统可靠度函数曲线。图9为捷联惯性导航系统东向速度误差曲线。图10为捷联惯性导航系统北向速度误差曲线。图11为捷联惯性导航系统经度误差曲线。图12为捷联惯性导航系统纬度误差曲线。图13为捷联惯性导航系统位置误差曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，如附图1所示，由惯性测量组件1、安装结构2、双轴旋转机构3构成。如附图2所示，安装结构2，包括：四面体框架4、三个L型支撑脚7；四面体框架4包括三个斜面和一个底面，斜面与底面间的夹角均为冗余配置角度α＝70.53°；四面体框架4的每个平面均有三个安装基准脚5，三个安装基准脚5的中心构成等边三角形，三个安装基准脚5的上表面共面，且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚5有两个安装基准脚螺纹孔6，两个安装基准脚螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架4关于三条梁对称，并设计成空心结构，减轻框架重量；L型支撑脚7正视图、俯视图，分别如附图3和附图4所示。L型支撑脚7由有三角凹槽9，三角凹槽中心攻有螺纹8，用于固连四面体框架4和L型支撑脚7；每个支撑脚底面有两个底面螺纹孔10，用于安装结构与底座固连；四面体安装框架和L型支撑脚均采用一体成型方式加工，保证结构强度。L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。惯性测量组件1，如附图5所示，惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构2的底座；双轴旋转机构3与安装结构2固连，使得惯性测量组件1按照转位方案周期性旋转；本专利技术提出一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法，其流程图如附图6所示，该方法是通过下述的技术步骤实现的：步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；所涉及的四面体冗余配置方案具体描述为：选取四面体框架底面作为xoy面，底面中心为坐标系原点o，以四面体的高线作为z轴，底面正三角形的高线作为x轴，使z轴与x轴、y轴共同构成右手直角坐标系oxyz；惯性测量组件1装配于四面体框架底面，测量轴沿z轴方向；测量组件2、3、4装配于四面体框架三个斜面，测量轴在xoy面的投影相互间的夹角均为120°，测量轴与z轴的夹角均为α＝70.53°；步骤二、针对步骤一中的四冗余捷联惯性导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；其特征在于，安装结构包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚，三个安装基准脚的中心构成等边三角形，三个安装基准脚的上表面共面且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚有两个安装基准脚螺纹孔，两个安装基准脚螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架关于三条梁对称，并为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，三角凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个底面螺纹孔；惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。

【技术特征摘要】
1.一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；其特征在于，安装结构包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚，三个安装基准脚的中心构成等边三角形，三个安装基准脚的上表面共面且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚有两个安装基准脚螺纹孔，两个安装基准脚螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架关于三条梁对称，并为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，三角凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个底面螺纹孔；惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。2.如权利要求1所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，其特征在于，四面体安装框架、L型支撑脚均为一体成型。3.如权利要求1或2所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，其特征在于，所述的L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。4.一种采用了权利要求1所述的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；步骤二、利用双轴旋转调制方案...

【专利技术属性】
技术研发人员：程建华，牟宏杰，陈岱岱，黄卫权，董铭涛，孙湘钰，张为，徐晓敏，曹新宇，董萍，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23