基于光學(xué)自準(zhǔn)直技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)輸入輸出方法

熊成強(qiáng)，錢 江，沈揚(yáng)清，孫 晨，徐 凱，賈立民，李 莉

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 海軍裝備部，北京 100036；3. 北京丹青華瑞科貿(mào)有限責(zé)任公司，北京 100028）

基于光學(xué)自準(zhǔn)直技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)輸入輸出方法

熊成強(qiáng)1，錢 江2，沈揚(yáng)清1，孫 晨1，徐 凱1，賈立民1，李 莉3

（1. 天津航海儀器研究所，天津 300131；2. 海軍裝備部，北京 100036；3. 北京丹青華瑞科貿(mào)有限責(zé)任公司，北京 100028）

基于光學(xué)陀螺的單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣性通常采用角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)方位角的輸出，但其測(cè)量結(jié)果受角度傳感器自身精度、回轉(zhuǎn)軸系、橡膠減震器及防沖擊減震器的影響較大。為提高姿態(tài)傳遞精度，提出一種基于自準(zhǔn)直儀和多面鏡的光學(xué)傳遞方案，通過(guò)光學(xué)方法將輸出平面與慣組直接建立關(guān)系，從而減少中間環(huán)節(jié)，消除角度傳感器誤差對(duì)系統(tǒng)方位角輸出帶來(lái)的誤差，可有效避免傳統(tǒng)測(cè)量中各種因素的影響。通過(guò)模擬試驗(yàn)該方案三個(gè)姿態(tài)角的傳遞精度均可達(dá)到5″ 以內(nèi)，滿足慣性系統(tǒng)的高精度姿態(tài)傳遞需要。

姿態(tài)傳遞；自準(zhǔn)直儀；多面鏡；折轉(zhuǎn)光管

近年來(lái)，基于光學(xué)陀螺的單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)慣組來(lái)調(diào)制陀螺中有規(guī)律漂移和加速度計(jì)零位偏差，從而提高系統(tǒng)精度。然而，旋轉(zhuǎn)調(diào)制會(huì)引起慣組的姿態(tài)信息不能直接反映載體的姿態(tài)，需要經(jīng)過(guò)姿態(tài)轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)換為載體姿態(tài)。使用傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)換過(guò)程容易引入誤差，進(jìn)而影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出精度。

本文提出一種基于光學(xué)自準(zhǔn)直儀的傳遞方法，直接將慣組姿態(tài)信息與載體姿態(tài)信息相關(guān)聯(lián)，減小了旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)方位角輸出誤差，提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)輸出的精度。

1 傳統(tǒng)的單軸旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)是通過(guò)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將慣性元件組件（以下簡(jiǎn)稱慣組）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，處于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱位置的同一慣性元件的零位誤差方向相反，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)元件零位變化不大，通過(guò)此旋轉(zhuǎn)使該慣性元件的零位誤差在對(duì)稱位置上的累積為零，從而減少了該元件零位誤差對(duì)捷聯(lián)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航過(guò)程的影響。

旋轉(zhuǎn)式慣性系統(tǒng)姿態(tài)的輸出是通過(guò)慣組與載體的相對(duì)關(guān)系，將慣性元件測(cè)得到的慣組與地理系的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)到載體與地理系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)慣組與載體并無(wú)直接聯(lián)接，如何得到慣組與載體的相對(duì)關(guān)系成為旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)姿態(tài)輸出的關(guān)鍵。通常，旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)是通過(guò)角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)方位角的輸出。

1.1 組成方式

從單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制的作用來(lái)看，旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)要求旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠使慣組旋轉(zhuǎn)在一個(gè)相對(duì)于載體平穩(wěn)的平面上，同時(shí)能夠精確輸出旋轉(zhuǎn)體與載體的轉(zhuǎn)位信息。單軸激光陀螺旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 托盤式激光陀螺旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)Fig.1 Single-axis rotating INS with a tray

單軸旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)中，慣性元件組件通過(guò)橡膠減震器固定到旋轉(zhuǎn)體組件之上，旋轉(zhuǎn)體組件通過(guò)軸承、電機(jī)等器件聯(lián)接在托盤組件之上，托盤組件及箱體通過(guò)防沖擊減震器與載體聯(lián)接。

1.2 旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)系統(tǒng)方位角輸出運(yùn)算

捷聯(lián)系統(tǒng)的慣性元件敏感地球自轉(zhuǎn)角速度Ωie和重力加速度g，通過(guò)初始對(duì)準(zhǔn)建立慣組相對(duì)地理系的轉(zhuǎn)換矩陣，而系統(tǒng)需要提供的是載體與地理系的轉(zhuǎn)換矩陣，構(gòu)造慣組圍繞旋轉(zhuǎn)的慣性系統(tǒng)坐標(biāo)系O系，其Z軸與慣組轉(zhuǎn)軸重合指向天向，Y軸為指向車首方向在與Z軸垂直平面上的投影。

1.2.1 慣組系與O系之間的變換矩陣

慣組系繞慣性系統(tǒng)坐標(biāo)系O系的Z軸旋轉(zhuǎn)，初始時(shí)刻慣組Y軸與O系Y軸重合，旋轉(zhuǎn)后某一時(shí)刻慣組Y軸與O系Y軸之間的角度可以通過(guò)角度傳感器測(cè)得為η，則有：

1.2.2 O系與載體系之間的變換矩陣

由于旋轉(zhuǎn)體組件的安裝不可能完全垂直于載體平面，必然存在著相對(duì)于載體平面的角度，使O系相對(duì)載體系有誤差角ξzx、ξzy，如圖2所示。則有

由以上公式可以得到：

圖2 O系與載體系之間的變換Fig.2 Transformation from O-frame to b-frame

1.3 誤差分析

此方案能夠建立載體系與地理系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，從而得到姿態(tài)角。但是在實(shí)際使用中，該方法得到的姿態(tài)角的精度受以下幾個(gè)方面的影響。

1.3.1 角度傳感器器件誤差

通過(guò)對(duì)以上公式的分析，角度傳感器的誤差是一比一地影響所得的姿態(tài)角誤差的。目前常用的測(cè)角機(jī)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光電碼盤、光柵環(huán)等。旋轉(zhuǎn)變壓器精度較低，圓感應(yīng)同步器放大電路復(fù)雜且安裝要求高，光電碼盤精度低且可靠性不高，光柵環(huán)供應(yīng)受限且價(jià)格過(guò)高。因此以上器件均不能滿足批產(chǎn)的高精度慣性系統(tǒng)。

1.3.2 軸系加工及裝配誤差

軸承的裝配過(guò)程和軸系結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程對(duì)工藝水平的要求很高。由加工及裝配產(chǎn)生的軸系的回轉(zhuǎn)錐角將造成角度測(cè)量的誤差。

1.3.3 軸系旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性

慣性系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于慣組較重且重心與軸系中心存在不同軸偏差，導(dǎo)致當(dāng)慣組旋轉(zhuǎn)時(shí)，慣性系統(tǒng)會(huì)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行有規(guī)律的抖動(dòng)和無(wú)規(guī)律的章動(dòng)，而這種轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)難以建立數(shù)學(xué)模型且即便通過(guò)補(bǔ)償也難以補(bǔ)償干凈，這會(huì)帶來(lái)一定的姿態(tài)輸出誤差。

1.3.4 橡膠減震器變形的不確定性

慣組的姿態(tài)輸出是慣組相對(duì)于地理系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在使用二頻機(jī)抖激光陀螺時(shí)，慣性系統(tǒng)的慣組都通過(guò)橡膠減震器與旋轉(zhuǎn)體相連接。由于橡膠減震器是活動(dòng)部件，在不同的受力情況下會(huì)產(chǎn)生變形，因此慣組的姿態(tài)不能等同于托盤旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)，進(jìn)而與托盤旋轉(zhuǎn)體相固聯(lián)的角度傳感器的輸出不能直接反映慣組系與O系的角度關(guān)系。又由于減震器變形難以描述，這個(gè)誤差很難通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償。因而橡膠減震器的變形會(huì)造成慣組坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)體坐標(biāo)系之間的不確定，引入誤差。

1.3.5 防沖擊減震器對(duì)姿態(tài)的影響

系統(tǒng)是通過(guò)防沖擊減震器與載體聯(lián)接的。防沖擊減震器的特點(diǎn)是沖擊小，無(wú)變形，也就是說(shuō)在平常狀態(tài)下，減震器中的阻尼器等器件并無(wú)明顯形變。但是由于減震器中除了阻尼器外還有些活動(dòng)部件，這些部件有一定的自由行程，在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)隨系統(tǒng)重心的變化有一定的活動(dòng)，造成慣性組件與載體所處平面不平行，繼而造成一定的姿態(tài)輸出誤差。

1.3.6 外力扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力釋放

角度傳感器的定子部分是與轉(zhuǎn)軸固定組件相連接的。由于長(zhǎng)時(shí)間顛簸和應(yīng)力釋放會(huì)造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸固定組件有一定的變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致測(cè)角機(jī)構(gòu)的電氣零位有一定的變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)姿態(tài)角輸出零位的變化。這種變化會(huì)造成系統(tǒng)方位角輸出的誤差。

綜上所述，使用角度傳感器的方位角傳遞方案受到諸多因素的影響，在需要高精度方位角及水平姿態(tài)輸出的情況下，這種方案是不能滿足需求的。

2 光學(xué)傳遞方案

針對(duì)角度傳感器的方位角輸出方案的諸多誤差，本文提出一種通過(guò)光學(xué)方法將輸出平面與慣組直接建立關(guān)系的實(shí)施方案，從而減少中間環(huán)節(jié)，消除角度傳感器誤差對(duì)系統(tǒng)方位角輸出帶來(lái)的誤差。

光學(xué)傳遞方案組成如圖3。

本方案中使用兩組自準(zhǔn)直儀相互垂直安裝在與載體固聯(lián)的底板之上，與慣組相連接的部位安裝一多面鏡，在與各個(gè)自準(zhǔn)直儀相對(duì)應(yīng)的位置安裝折轉(zhuǎn)光管。

慣性系統(tǒng)工作時(shí)，自準(zhǔn)直儀發(fā)出一束平行光，經(jīng)由折轉(zhuǎn)光管，投向與慣組固聯(lián)的多面鏡。慣組開(kāi)始旋轉(zhuǎn)以后，當(dāng)多面鏡中任一面鏡的法線旋轉(zhuǎn)至折轉(zhuǎn)光管工作范圍內(nèi)時(shí)，反射光線經(jīng)該面鏡的反射進(jìn)入折轉(zhuǎn)光管，經(jīng)折轉(zhuǎn)光管回到自準(zhǔn)直儀，并在自準(zhǔn)直儀CCD平面留下一投影。通過(guò)在CCD投影的光斑的位置，可以將此時(shí)反射鏡面法線與自準(zhǔn)直儀光軸建立相對(duì)關(guān)系。同時(shí)第二組自準(zhǔn)直儀在與第一組自準(zhǔn)直儀接近垂直的位置照射與多面鏡的另一個(gè)平面，可以得到另一組自準(zhǔn)直儀與鏡面的相對(duì)關(guān)系。處于反射位置的鏡面與慣組的相對(duì)關(guān)系已知，且兩組自準(zhǔn)直儀與載體固聯(lián)，因此，兩組自準(zhǔn)直儀的方位向量就可以反映底板坐標(biāo)系與地理系的轉(zhuǎn)換矩陣，從而將此時(shí)的慣組慣性解算得到的慣組相對(duì)地理系的相對(duì)關(guān)系傳遞給載體，即建立載體與地理系相對(duì)關(guān)系。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)以后，多面鏡離開(kāi)折轉(zhuǎn)光管的輸入范圍，此時(shí)輸出姿態(tài)可以通過(guò)傳統(tǒng)方案進(jìn)行。當(dāng)多面鏡下一組鏡面進(jìn)入折轉(zhuǎn)光管輸入范圍時(shí)，進(jìn)行下一次姿態(tài)輸出。

圖3 光學(xué)傳遞方案Fig.3 INS with optical attitude transformation

2.1 光學(xué)傳遞方案的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)傳統(tǒng)的角度傳感器測(cè)角方案本方案有如下優(yōu)勢(shì)：

① 傳統(tǒng)方案中，轉(zhuǎn)軸的不穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)慣組圍繞轉(zhuǎn)軸做近似于錐擺的運(yùn)動(dòng)，使得慣組坐標(biāo)軸及多面鏡法線在垂直面上做波浪運(yùn)動(dòng)，致使慣組的兩個(gè)水平姿態(tài)角與載體系水平姿態(tài)角都有差值。光學(xué)方案中，慣組姿態(tài)與載體姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系即兩者間的轉(zhuǎn)角通過(guò)自準(zhǔn)直儀精確求得，從而補(bǔ)償了這兩個(gè)角度影響，此項(xiàng)誤差不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響。

② 光學(xué)方案中，多面鏡是與慣組固聯(lián)，并與慣組一起安裝在減震器內(nèi)，因此多面鏡的姿態(tài)能夠真實(shí)代表慣組的姿態(tài)，不受橡膠減震器變形的影響。另外兩個(gè)自準(zhǔn)直儀采集兩個(gè)鏡面的角度，只要兩個(gè)鏡面都進(jìn)入折轉(zhuǎn)光管的輸入范圍，防沖擊減震器變形不會(huì)對(duì)方位角輸出產(chǎn)生影響。

③ 多面鏡與慣組固聯(lián)，多面鏡的每個(gè)鏡面都可以直接的和慣組坐標(biāo)系建立關(guān)系，而解算中實(shí)際用到的是鏡面法線在慣組坐標(biāo)系投影與慣組坐標(biāo)軸之間的夾角，這與多面鏡是否在旋轉(zhuǎn)軸中心以及多面鏡的安裝平面與旋轉(zhuǎn)平面是否平行沒(méi)有關(guān)系，因此多面鏡中心是否在慣組旋轉(zhuǎn)中心不影響傳遞精度。

④ 通過(guò)兩組自準(zhǔn)直儀的測(cè)量可以得到慣組的方位、俯仰及橫滾三組姿態(tài)信息，提高了測(cè)量效率。

⑤ 當(dāng)系統(tǒng)在安裝過(guò)程中或安裝后受到外力或應(yīng)力釋放的影響時(shí)，只要折轉(zhuǎn)光管上下兩鏡面相對(duì)關(guān)系未變化，對(duì)整個(gè)姿態(tài)傳遞方案的精度不影響。

2.2 光學(xué)對(duì)準(zhǔn)方案中使用到的光學(xué)器件

2.2.1 多面鏡

多面鏡又稱反射多面棱鏡，是將360°圓周角按工作面數(shù)進(jìn)行等分，且工作面全部是由外反射平面構(gòu)成的玻璃或金屬直棱柱體。根據(jù)圓周的等分?jǐn)?shù)，目前常用的有六、八、九、十二等面體。

本方案中使用的是八面鏡，如圖4所示。這樣一是可以保證兩兩鏡面相互垂直，從而保證兩組自準(zhǔn)直儀同時(shí)進(jìn)入輸入范圍，二是可以保證有足夠的輸出頻率。如果需要姿態(tài)輸出頻率較高，可以選擇鏡面更多的多面鏡。

圖4 八面鏡Fig.4 The polygon mirror

2.2.2 自準(zhǔn)直儀

光學(xué)自準(zhǔn)直儀是根據(jù)自準(zhǔn)直原理，測(cè)量物體微小角度變化的儀器。本方案中使用的是CCD式數(shù)字式自準(zhǔn)直儀可以由CCD的讀數(shù)得知目標(biāo)反射面法線與自準(zhǔn)直儀光軸的夾角。

光學(xué)自準(zhǔn)直儀原理如圖5，物鏡組焦距為f，在其焦點(diǎn)位置有一光源O，來(lái)自光源O的光線經(jīng)過(guò)物鏡組折射成為平行光，照射在目標(biāo)平面鏡之后反射回CCD平面成像O′。如果平面鏡法線與光管軸存在一個(gè)角度θ，根據(jù)光的反射性質(zhì)，反射光線將與入射光線成角2θ，反射形成的像O′ 將與其光源O有一定距離d。高分辨率的CCD可以測(cè)量得到d，并由下式得到夾角θ：

圖5 光學(xué)自準(zhǔn)直儀工作原理Fig.5 Operational principle of autocollimator

實(shí)際使用時(shí)，光源經(jīng)過(guò)分劃板形成一十字光束，經(jīng)反射后返回光管并在CCD上匯聚為一十字光斑（如圖6），并可得到十字光斑中心點(diǎn)在CCD平面上的坐標(biāo)(dx, dy)。

圖6 光學(xué)自準(zhǔn)直儀輸出示意圖Fig.6 Output window of autocollimator

2.2.3 折轉(zhuǎn)光管

折轉(zhuǎn)光管是用殼體把兩塊平行或垂直的平面反光鏡聯(lián)成一體，以實(shí)現(xiàn)出射光和入射光平行，但平移了一段等于折轉(zhuǎn)光管中心長(zhǎng)度的距離。本方案采用的折轉(zhuǎn)光管兩平面鏡的角度為90°，折轉(zhuǎn)光管為垂直架設(shè)。

當(dāng)入射光與下鏡面的法線成45°時(shí)，按反射定律，出射光和上鏡面法線的夾角成45°，出射光與入射光平行，但平移了一段等于折轉(zhuǎn)光管中心長(zhǎng)度的距離。如果入射光增大了α角，即入射角為45°+α?xí)r，出射光為45°-α，即入射光與出射光保持平行。

當(dāng)入射光不在法平面內(nèi)時(shí)，入射光與法平面成α角，出射光與法平面成 -α角，入射光與出射光成2α角，這說(shuō)明折轉(zhuǎn)光管在與法平面垂直的方向上具有2倍敏感性。

圖7 折轉(zhuǎn)光管原理圖Fig.7 Operational principle of reflex light tube

2.3 姿態(tài)輸出算法

姿態(tài)輸出即將慣組得到的與地理系之間的相對(duì)關(guān)系傳遞到系統(tǒng)安裝平面即與載體固聯(lián)的部分之上，也就是求得系統(tǒng)安裝平面與地理系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，本方案的算法有以下步驟：

① 慣組向輸出鏡面的傳遞

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)多面鏡中的一組鏡面進(jìn)入折轉(zhuǎn)光管的工作范圍時(shí)，慣組此時(shí)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣為。由于多面鏡與慣組固聯(lián)，每個(gè)鏡面都能通過(guò)標(biāo)定建立與慣組之間的關(guān)系，即建立鏡面法線在慣組系的方位向量，此時(shí)在折轉(zhuǎn)光管工作范圍的鏡面的方位向量為和?？梢缘玫酱藭r(shí)這組鏡面法線在地理系上

的方位向量：

② 輸出鏡面向自準(zhǔn)直儀的傳遞

自準(zhǔn)直儀與載體系固聯(lián)，自準(zhǔn)直儀光軸在載體系的方位向量可以通過(guò)標(biāo)定得到，即和。根據(jù)自準(zhǔn)直儀和折轉(zhuǎn)光管的工作原理可知，此時(shí)自準(zhǔn)直儀的輸出角度是多面鏡輸出鏡面組法線與自準(zhǔn)直儀光軸在與自準(zhǔn)直儀固聯(lián)的載體系上的夾角，即、，由此可以得到輸出鏡面組法線在載體系上的方位向量：

③ 自準(zhǔn)直儀向安裝平面的傳遞

由以上步驟可以得到兩個(gè)鏡面在地理系和載體系的方位向量。

2.4 傳遞范圍

本方案中，需要與慣組相固聯(lián)的多面鏡進(jìn)入折轉(zhuǎn)光管和自準(zhǔn)直儀的輸入范圍才能進(jìn)行姿態(tài)傳遞，而多面鏡是隨著慣組進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于軸擺等因素其部分鏡面都可能超出了折轉(zhuǎn)光管和自準(zhǔn)直儀的輸入范圍，需要分析折轉(zhuǎn)光管和自準(zhǔn)直儀的工作范圍。

2.4.1 自準(zhǔn)直儀工作范圍

自準(zhǔn)直儀的工作范圍是由自準(zhǔn)直儀CCD進(jìn)行精確測(cè)量所需要的進(jìn)光量所決定的。自準(zhǔn)直儀所發(fā)出的平行光經(jīng)過(guò)一系列光路傳播回到自準(zhǔn)直儀時(shí)，CCD需要一定大小的光斑才能成像和進(jìn)行測(cè)量。這與自準(zhǔn)直儀的口徑和CCD成像質(zhì)量相關(guān)，本文采用輸入范圍為1°的自準(zhǔn)直儀。

2.4.2 折轉(zhuǎn)光管工作范圍

自準(zhǔn)直儀發(fā)出的平行光經(jīng)由折轉(zhuǎn)光管照射到多面鏡之上，反射后再經(jīng)由折轉(zhuǎn)光管回到自準(zhǔn)直儀的鏡頭范圍。

通過(guò)對(duì)折轉(zhuǎn)光管的原理分析，經(jīng)由折轉(zhuǎn)光管返回自準(zhǔn)直儀的平行光斑面積與以下因素相關(guān)：

① 多面鏡法線角度；

② 自準(zhǔn)直儀到多面鏡的光程長(zhǎng)度；

③ 折轉(zhuǎn)光管的通光口徑；

④ 折轉(zhuǎn)光管的安裝角度。

綜上，通過(guò)以上分析表明，通過(guò)增大自準(zhǔn)直儀鏡頭或折轉(zhuǎn)光管通光面積，減小折轉(zhuǎn)光管光程長(zhǎng)度等手段，可以使本方案的姿態(tài)輸入范圍滿足旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出的要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該光學(xué)方案姿態(tài)傳遞的精度，進(jìn)行了如下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

在一雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心（接近即可）固定一個(gè)正八面鏡，并在八面鏡之上固定一個(gè)正六面體。架設(shè)六面體是模擬慣組，通過(guò)測(cè)量六面體的姿態(tài)來(lái)得到慣組姿態(tài)。在轉(zhuǎn)臺(tái)附近樹立一經(jīng)緯儀作為此次試驗(yàn)的北向基準(zhǔn)。

圖8 試驗(yàn)方案示意圖Fig.8 Experiment scheme

3.2 試驗(yàn)步驟

首先需要標(biāo)定八面鏡各面法線與慣組之間的相對(duì)關(guān)系。固定好八面鏡與六面體之后，使用高精度經(jīng)緯儀測(cè)量八面鏡各個(gè)鏡面，得到各鏡面法線在地理系中的方位向量，同時(shí)測(cè)量六面體中作為首向和東向的兩個(gè)鏡面法線，建立六面體慣組系與地理系的姿態(tài)矩陣，通過(guò)運(yùn)算可以得到八面體個(gè)鏡面在六面體慣組系中的方位向量。

進(jìn)行測(cè)量時(shí)，架設(shè)兩個(gè)高精度自準(zhǔn)直儀，瞄準(zhǔn)互為垂直的兩個(gè)八面鏡鏡面；轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸45°，使下一組鏡面進(jìn)入自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍，并測(cè)量此時(shí)這組鏡面的角度，用一經(jīng)緯儀測(cè)量此時(shí)六面體的姿態(tài)；轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)至下一位置，進(jìn)行測(cè)量直至八組鏡面全部測(cè)完。改變轉(zhuǎn)臺(tái)角度，重新調(diào)整自準(zhǔn)直儀重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)以上試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)運(yùn)算后得到兩自準(zhǔn)直儀固聯(lián)的載體系的姿態(tài)角。表1列出了部分運(yùn)算結(jié)果。

表1 驗(yàn)證方案試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of attitude transformation

4 結(jié) 論

本文提出一種單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光學(xué)姿態(tài)測(cè)量方法。根據(jù)坐標(biāo)系間矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到一種單軸旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)高精度姿態(tài)測(cè)量方法。原理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，與傳統(tǒng)姿態(tài)輸出方案相比，本文所提出的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)姿態(tài)輸出方案具有操作環(huán)節(jié)少、輸出精度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足高精度姿態(tài)輸出的需要。

（References）：

[1] 仲巖, 王丹丹. 一種高精度捷聯(lián)慣組方位引出方法[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 22(6): 845-848. Zhong Yan, Wang Dan-dan. Azimuth extraction method for high precision strapdown IMU[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2014, 22(6): 845-848.

[2] 牛立, 趙慧. 戰(zhàn)車用慣性定位定向系統(tǒng)的支架誤差分析與補(bǔ)償[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 15(5): 522-525. Niu Li, Zhao Hui. Analysis and compensation of the bracket error for inertial positioning and heading system [J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2007, 15(5): 522-525.

[3] 胡佩達(dá), 高鐘毓, 張嶸, 等. 基于三軸搖擺臺(tái)的高精度姿態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 21(2): 271-274. Hu Pei-da, Gao Zhong-yu, Zhang Rong, et al. High accuracy attitude testing system based on three-axis test table[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(2): 271-274.

[4] Zhang L, Wang A G. Vessel surface equipment attitude measurement based on conventional inertial reference system[J]. Advanced Materials Research, 2012, 629: 878-883.

[5] Johnson G, Waid J, Primm M, et al. Ship attitude accuracy trade study for aircraft approach and landing operations [C]//IEEE Position Location and Navigation Symposium. 2012: 783-790.

[6] Gu D Q, El-Sheimy N, Hassan T, et al. Coarse alignment for marine SINS using gravity in the inertial frame as a reference[C]//IEEE Position, Location and Navigation Symposium. 2008: 961-965.

[7] Yu Q, Jiang G, Fu S, et al. Fold-ray video metrics method for the deformation measurement of pointer visible large structures[J]. Applied Optics, 2009, 48(24): 4683-4687.

[8] Johnson G, Waid J, Primm M, et al. Ship attitude accuracy trade study for aircraft approach and landing operations[C]//IEEE Position, Location and Navigation symposium. 2012: 783-790.

[9] Zhang L, Wang A G. Vessel surface equipment attitude measurement based on conventional intertidal reference system[J]. Advanced Materials Research, 2012, 629: 878-883.

Input/output method for INS attitude by optical autocollimation

XIONG Cheng-qiang1, QIAN Jiang, SHEN Yang-qing1, SUN Chen1, XU Kai1, JIA Li-min1, LI Li3
(1. Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China; 2. Equipment Department of the Navy, Beijing 100036, China; 3. Dantsin Huarui Technology Limited Company, Beijing 100028, China)

In single-axis rotating INS with optical gyros, an angle sensor is usually used to realize the attitude’s output. But the accuracy of this method is significantly influenced by angle sensor, rotary shaft, rubber absorber, and anti-shock absorber. To solve this problem, an attitude transferring scheme by using autocollimators and polygon mirrors is proposed. The relationship between output plane and IMU is directly established by an optical method, thereby reducing the intermediate steps and effectively avoiding the above influencing factors in traditional method. The simulation results show that the transfer accuracies of the three attitudes are all within 5″, which satisfies the need of attitude transfer in high precision INS.

attitude transfer; autocollimator; polygon mirror; reflex tube

U666.1

A

1005-6734(2015)02-0275-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.02.024

2014-12-10；

2015-03-30

國(guó)防科技預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目（A0320132002）

熊成強(qiáng)（1965—），男，高級(jí)工程師，從事慣性系統(tǒng)的研究。E-mail：Xiongcq01@163.com