基于雙軸加計(jì)與三軸加計(jì)的捷聯(lián)航姿性能研究

劉世鵬 范超 楊宏智 尚永爽

摘要：為了比較基于雙軸加計(jì)的捷聯(lián)航姿與基于三軸加計(jì)的捷聯(lián)航姿航向姿態(tài)精度，設(shè)計(jì)了基于雙軸加計(jì)的航姿解算方法，利用捷聯(lián)航姿系統(tǒng)采集航姿數(shù)據(jù)，分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)車載帶一定干擾環(huán)境下，比較兩種航姿的輸出結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩型航姿對(duì)準(zhǔn)精度、導(dǎo)航精度相當(dāng)，誤差值在0.05°以內(nèi)，均能滿足系統(tǒng)使用。

關(guān)鍵詞：捷聯(lián)航姿;雙軸加計(jì);三軸加計(jì)

0 引言

捷聯(lián)航姿的基本原理是根據(jù)牛頓提出的相對(duì)慣性空間的力學(xué)定律，利用陀螺儀、加速度計(jì)等慣性元件感受載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角速度和加速度，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行航姿解算，從而得到載體的航向、姿態(tài)等參數(shù)。

捷聯(lián)航姿是將由角速率陀螺儀和加速度計(jì)等部件組成的，直接安裝在運(yùn)載體上。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)陀螺測(cè)定載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)角速度，并由此計(jì)算載體坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣。通過(guò)該矩陣，把加速度計(jì)測(cè)得的加速度信息變換至導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)航計(jì)算得到的導(dǎo)航信息進(jìn)行控制反饋，從而得到所需要的航向及姿態(tài)信息。由于捷聯(lián)航姿的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、算法及軟件都已發(fā)展了多年，接近成熟和完善。目前，在捷聯(lián)航姿的實(shí)現(xiàn)上，都采用傳統(tǒng)的三軸陀螺、三軸加速度計(jì)組成的捷聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行解算航向、姿態(tài)信息，對(duì)于一些特殊的場(chǎng)景使用，Z軸加速度計(jì)的設(shè)計(jì)可以去除。掌握兩軸加計(jì)航姿設(shè)計(jì)技術(shù)，在適合的場(chǎng)景中使用，可以降低航姿研制成本，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。本文就基于雙軸加計(jì)設(shè)計(jì)一型航姿，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 ?原理設(shè)計(jì)

兩軸加計(jì)捷聯(lián)航姿中，捷聯(lián)航姿采用光纖速率陀螺來(lái)感測(cè)飛機(jī)飛行過(guò)程中沿機(jī)體三個(gè)軸向上的運(yùn)動(dòng)角速率、采用兩個(gè)撓性擺式加速度計(jì)來(lái)感測(cè)X軸和Y軸加速度信號(hào)，接收捷聯(lián)磁傳感器感測(cè)三個(gè)軸向上的地磁信號(hào)，經(jīng)電子線路量化、修正后傳輸給導(dǎo)航解算板，進(jìn)行磁航向、姿態(tài)的解算。將航向、姿態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)字信號(hào)向外發(fā)出。

2 ?結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

箱體：提供慣性部件和各功能電路線路板安裝，并包含有前后定位塊、把手和電連接器。

箱體蓋板：箱體蓋板分為箱體上蓋、箱體下蓋和陀螺蓋，提供箱體的密封功能。

慣性部件的安裝：提供兩軸加計(jì)的安裝支架。兩軸加計(jì)正交分別安裝在箱體的前向、側(cè)向方向上，使用螺釘固定。

功能電路的安裝：提供各功能電路的安裝腔。

3 ?電路設(shè)計(jì)

兩軸加計(jì)捷聯(lián)航姿功能電路設(shè)計(jì)有磁解調(diào)板、電源板、數(shù)模轉(zhuǎn)換板及航姿解算板。

磁解調(diào)板：充分考慮電磁兼容性和電源適應(yīng)性要求，磁解調(diào)板設(shè)計(jì)有直流28 V電源的電源濾波、瞬態(tài)抑制、欠壓及斷電保護(hù)及磁信號(hào)解調(diào)電路等;

電源板：直流電源板主要完成電源變換功能，通過(guò)DC/DC進(jìn)行電源變換輸出各功能模塊工作所需的+5 V、-5 V 、±15 V直流電源，并設(shè)計(jì)電源故障檢測(cè)電路;

航姿解算板：航姿解算板由A/D轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出數(shù)字接口和信號(hào)處理器組成，主要用于完成對(duì)載機(jī)飛行慣性信息的感測(cè)與接收、啟動(dòng)自檢、初始對(duì)準(zhǔn)、航姿解算、故障處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能;

母線板：母線板是各功能電路板SRU之間連接的橋梁，通過(guò)設(shè)計(jì)5個(gè)功能電路接插件實(shí)現(xiàn)功能電路板的連接，設(shè)計(jì)了4個(gè)D型電連接器分別與三個(gè)光纖陀螺和兩個(gè)加速度計(jì)連接。

4 ?軟件設(shè)計(jì)原理

兩軸加計(jì)捷聯(lián)航姿使用三軸光纖陀螺、兩軸加速度計(jì)作為慣性器件，陀螺輸出的是載體相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率在機(jī)體系中的投影ωbib;加速度計(jì)測(cè)量的是機(jī)體相對(duì)慣性空間的加速度在機(jī)體系中的投影fbib，將兩軸機(jī)體系加速度通過(guò)姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，天向加速度用重力G替換進(jìn)行航姿解算。

捷聯(lián)航姿使用兩軸加速度計(jì)的方案是相對(duì)三軸去掉法向安裝的加速度，只保留水平方向安裝的加速度計(jì)（ax、ay）。利用有載體姿態(tài)時(shí)，水平安裝的加速度計(jì)在法向的投影計(jì)算俯仰θ'和橫滾γ'。

經(jīng)物理意義和幾何意義推導(dǎo)，兩軸初始姿態(tài)計(jì)算：

原來(lái)機(jī)體法向加速度計(jì)的測(cè)量值由重力加速度隨載體姿態(tài)變化的投影替代。

根據(jù)兩軸加計(jì)橫滾計(jì)算算法，橫滾范圍只能到I、IV象限，II、III象限無(wú)法覆蓋，現(xiàn)采用陀螺角速率積分作為橫滾象限判斷解決姿態(tài)計(jì)算象限判斷問(wèn)題。使用兩軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出的姿態(tài)數(shù)據(jù)作為內(nèi)阻尼參數(shù)對(duì)捷聯(lián)航姿進(jìn)行內(nèi)阻尼。

5 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

將產(chǎn)品置于轉(zhuǎn)臺(tái)或具有航向基準(zhǔn)的試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行多次重復(fù)對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)，用于確定對(duì)準(zhǔn)精度是否滿足使用要求。其中在方位195°情況下對(duì)準(zhǔn)航向姿態(tài)數(shù)據(jù)見表1。

將產(chǎn)品安裝于試驗(yàn)車上進(jìn)行跑車試驗(yàn)，車上裝有慣導(dǎo)作為基準(zhǔn)，跑車結(jié)束后，航向姿態(tài)誤差見圖1、圖2、圖3。

6 ?結(jié)論

雙軸加計(jì)捷聯(lián)航姿經(jīng)過(guò)原理驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)常溫功能性能、搖擺、振動(dòng)和跑車試驗(yàn)驗(yàn)證，原理正確，與三軸加計(jì)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)航向、姿態(tài)對(duì)比，精度相當(dāng)。

雙軸加計(jì)捷聯(lián)航姿在很多應(yīng)用場(chǎng)景中可以在工程上應(yīng)用，可以有效降低實(shí)物成本，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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