慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法
2023-12-08 12:56:41 2
慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法
【專利摘要】本發明涉及慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法，包括結構工裝、直角稜鏡組件和配套緊固件；以結構工裝上某點為原點建立三維坐標系，其中縱軸Xb、豎軸Yb、橫軸Zb，結構工裝包括方柱狀本體、分別設置在方柱狀本體兩端的兩個腰形孔；腰形孔的軸向與縱軸Xb平行；結構工裝的其中兩個側面上設置有相互垂直的第一基準面和第二基準面，第一基準面與縱軸Xb和橫軸Zb構成的平面平行，第二基準面與橫軸Zb和豎軸Yb構成的平面平行且與稜鏡相對。本發明解決了現有方法增加慣性測量裝置製造成本、尋找方位角存在誤差的技術問題，本發明裝置及方法可為檢測慣性測量裝置的定向精度或向慣性測量裝置傳遞外部測量的方位基準信息。
【專利說明】慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法。
【背景技術】
[0002]為檢測慣性測量裝置的定向精度或向慣性測量裝置傳遞外部測量的方位基準信息，傳統方法是在每套產品上嵌入直角稜鏡組件，並調整直角稜鏡組件與慣性測量裝置本體坐標系平行，使用時要求慣性測量裝置近似水平放置，遠距離架設高精度陀螺指北儀，調整光電經緯儀與慣性測量裝置準直後開始尋北，利用陀螺指北儀的尋北結果直接或經過近似修正後作為慣性測量裝置的方位角。修正公式為:
[0003]W^Wc+tarf1 (tan( Yb)*tan( Θ c))................(I)
[0004]式中，
[0005]Ψ,br為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」，
[0006]Ψο為陀螺指北儀北向角測量值(北偏西為正)，
[0007]Y b為慣性測量裝置的橫滾角，
[0008]Θ c為陀螺指北儀測量時的經緯儀光管仰角。
[0009]該方法的缺點，一是當稜鏡裝置僅用於產品精度檢測時，其增加了慣性測量裝置製造成本；二是當慣性測量裝置存在較大傾斜角時，利用陀螺指北儀的尋北結果直接作為慣性測量裝置的方位角，或利用修正公式計算結果作為慣性測量裝置的方位角，都存在誤差。例如，當Yb=1.0°，0b=l.0° (慣性測量裝置的俯仰角)，0 C=LO0時，上述修正公式的誤差約為P 。
【發明內容】
[0010]為了解決現有方法增加慣性測量裝置製造成本、尋找方位角存在誤差的技術問題，本發明目的是提供一種慣性測量裝置方位基準傳遞裝置及大傾角時方位確定方法，該裝置及方法可為檢測慣性測量裝置的定向精度或向慣性測量裝置傳遞外部測量的方位基準信息。
[0011]本發明的技術解決方案是:
[0012]一種慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，其特殊之處在於:包括結構工裝、直角稜鏡組件和配套緊固件；以結構工裝上某點為原點建立三維坐標系，其中縱軸Xb、豎軸Yb、橫軸Zb,
[0013]所述結構工裝包括方柱狀本體4、分別設置在方柱狀本體4兩端的兩個腰形孔5 ；所述腰形孔的軸向與縱軸Xb平行；所述結構工裝的其中兩個側面上設置有相互垂直的第一基準面6和第二基準面，其中第一基準面6與縱軸Xb和橫軸Zb構成的平面平行，第二基準面與橫軸Zb和豎軸Yb構成的平面平行且與稜鏡相對。
[0014]所述直角稜鏡組件包括稜鏡工裝2和直角稜鏡I ;所述稜鏡工裝設置在方柱狀本體4上，所述直角稜鏡的工作面與橫軸Zb和縱軸Xb構成的平面平行；所述直角稜鏡I被配套緊固件3固定在稜鏡工裝2上。
[0015]上述基準面分成兩部分，對稱分布在結構工裝中軸線的兩側。
[0016]上述稜鏡工裝設置在方柱狀本體4的中部。
[0017]上述配套緊固件3包括緊固螺釘、墊圈和墊片。
[0018]一種慣性測量裝置大傾角時方位確定方法，包括以下步驟：
[0019]I】將被測物體的基準面與方位基準傳遞裝置的第二基準面靠緊，調整方位基準傳遞裝置，使OZ軸與當地水平面平行，然後將方位基準傳遞裝置與被測物體固定，保持二者靜止;
[0020]2】通過陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與直角稜鏡準直；
[0021]3】陀螺指北儀開始尋北，尋北結果即為被測物體縱向軸指示的地理方位角，計算公式為：
[0022]Ψ^Ψο
[0023]式中，
[0024]Ψ,R為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」；
[0025]Ψο為陀螺指北儀北向角測量值，定義北偏西為正。
[0026]一種慣性測量裝置大傾角時方位確定方法，包括以下步驟：
[0027]I】將被測物體基準面靠緊方位基準傳遞裝置且使得該被測物體基準面與OX軸垂直，調整方位基準傳遞裝置，使第一基準面與被測物體上基準面平行，然後將被測物體與方位基準傳遞裝置固定，保持二者靜止；
[0028]2】通過陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與直角稜鏡準直；
[0029]3】陀螺指北儀開始尋北，依靠其提供的瞄準直角稜鏡光線的地理方位角、瞄準直角稜鏡光線仰角，以及方位基準傳遞裝置縱傾角和橫傾角，確定方位基準傳遞裝置縱向軸指示的地理方位角，計算公式如下：
[0030]Wb^Wc+sirf1 (tan Θ ctan y bcos Θ b_tan y bsin Θ b)
[0031]式中，
[0032]Ψ,R為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」，
[0033]Ψο為陀螺指北儀北向角測量值，定義北偏西為正，
[0034]Θ b為慣性測量裝置的俯仰角，
[0035]Y b為慣性測量裝置的橫滾角，
[0036]Θ c為陀螺指北儀測量時的經緯儀光管仰角。
[0037]本發明方位基準傳遞裝置所具有優點：
[0038]I、採用外置式結構，從慣性測量裝置脫離，降低了慣性測量裝置成本，便於攜帶、維護。
[0039]2、具有通用性，只要被測物體具有定位面，機械安裝接口與方位基準傳遞裝置相匹配，則能夠使用該裝置傳遞方位基準。
[0040]3、方位基準傳遞裝置具有兩個正交基準面和腰形孔，易於調整其ozb軸與當地地理水平面平行或與被測物體橫軸平行。
[0041]4、方位基準傳遞裝置增加傾角傳感器、測量電路、電子計算部件、信息交互接口，併集成方位計算方法後，可製造出數位化姿態和方位基準設備。[0042]本發明大傾角時的方位確定方法的優點:
[0043]1、精度高，採用精確數學計算方法，其完整計算公式能夠消除近似公式帶來的誤差及方法誤差。
[0044]2、提供了兩種測試方法，其中與地理水平面平行方法能夠直接傳遞縱向軸方位，無需二次轉換；與被測物體平行方法則可以避免被測物體姿態變化後再次調整方位基準傳遞裝置，節省操作時間。
[0045]3、該方法適用於被測物體存在大傾斜角度時的方位基準傳遞，光管仰角、方位基準傳遞裝置的傾角可達到30°以上，增加了方位基準傳遞裝置的適用範圍。
[0046]4、該方法隨方位基準傳遞裝置安裝方式和位置而變化，能夠使用其安裝在被測物體縱向軸正向和負向等多個方向。
[0047]5、該方法可以不依附於方位基準傳遞裝置，當慣性測量裝置使用嵌入式稜鏡組件時，該方法同樣可以確定其大傾角時的方位基準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048]圖1是方位基準傳遞裝置結構示意圖；
[0049]圖2是各角度關係一種示意圖；
[0050]圖3是各角度關係另一種示意圖
[0051]其中附圖標記為:1_直角稜鏡，2-稜鏡工裝，3-配套緊固件，4-方柱狀本體，5-腰形孔，6-基準面，Xb-縱軸，Yb-豎軸，Zb-橫軸。
【具體實施方式】
[0052]如圖1所示，一種慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，包括結構工裝、直角稜鏡組件和配套緊固件；在結構工裝上建立三維坐標系Xb、Yb、Zb，其中三維坐標系的原點在結構工裝上，結構工裝包括方柱狀本體4 ;結構工裝的其中兩個側面上設置有相互垂直的基準面，其中一個基準面與縱軸Xb和橫軸Zb構成的平面平行，另一個基準面與橫軸Zb及豎軸Yb構成的平面平行；(即與直角稜鏡相對的一面。)直角稜鏡組件包括稜鏡工裝2和直角稜鏡I ;稜鏡工裝設置在方柱狀本體4上，直角稜鏡的工作面與橫軸Zb及縱軸Xb構成的平面平行；直角稜鏡I被配套緊固件3固定在稜鏡工裝2上。
[0053]基準面分成兩部分，對稱分布在結構工裝中軸線的兩側，且兩部分之間的間距稍大於直角稜鏡的寬度。稜鏡工裝設置在方柱狀本體4的中部。配套緊固件3包括緊固螺釘、墊圈和墊片。
[0054]方位基準傳遞裝置用於輔助測量被測物體的地理方位角，依靠外部基準測量信息，經過精確計算，能夠將外部方位基準傳遞、轉換為被測物體的地理方位角。
[0055]方位基準傳遞裝置由直角稜鏡組件、結構工裝和配套緊固件組成，由精密加工的兩個高精度基準面確定其測量基準坐標系(三維坐標系Xb、Yb、Zb)，方柱狀本體4兩端均設置有腰形孔5 ;腰形孔的軸向與縱軸Xb平行；通過外部提供的瞄準稜鏡光線的地理方位角、瞄準稜鏡光線仰角、方位基準傳遞裝置縱傾角、方位基準傳遞裝置橫傾角，經過數學計算，確定方位基準傳遞裝置在大傾角情況下其縱向軸指示的地理方位角。
[0056]方位基準傳遞裝置結構示意圖如圖1所示底部為基準面，腰形孔用於被測物體傾斜時進行水平測試，各角度關係如圖2、圖3所示。
[0057]方位基準傳遞裝置的關鍵是直角稜鏡組件及其測量基準坐標系的建立。方位基準傳遞裝置的關鍵技術在於當被測物體存在大角度縱向和橫向傾斜時計算被測軸向方位角的方法，測試方法不同需要的外部測量信息、方位角計算方法也不同。
[0058]測試方法一：
[0059]I】將被測物體的基準面與方位基準傳遞裝置的第二基準面靠緊，調整方位基準傳遞裝置，使OZ軸與當地水平面平行，然後將方位基準傳遞裝置與被測物體固定，保持二者靜止;
[0060]2】通過高精度陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整高精度陀螺指北儀與稜鏡準直；
[0061]3】高精度陀螺指北儀開始尋北，尋北結果即為被測物體縱向軸指示的地理方位角。計算公式為：
[0062]￥br= ￥c
[0063]式中，
[0064]Ψ,t為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」，
[0065]Ψο為陀螺指北儀北向角測量值(北偏西為正)。
[0066]應用測試方法一時的安裝方式，將方位基準傳遞裝置定位面與被測物體縱向軸負向定位面靠緊，調整方位基準傳遞裝置，使其測量坐標系與當地水平地理坐標系平行，然後將方位基準傳遞裝置與被測物體固定，保持二者靜止。外部通過高精度陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整其與稜鏡準直後開始尋北，高精度陀螺指北儀尋北結果即為被測物體縱向軸指示的地理方位角。
[0067]測試方法二 ：
[0068]測試過程與方法一基本相同，差別是方法二要求方位基準傳遞裝置測量坐標系與被測物體坐標系平行，計算被測物體縱向軸地理方位角地理方位角時需要提供瞄準稜鏡光線的地理方位角、瞄準稜鏡光線仰角、方位基準傳遞裝置縱傾角、方位基準傳遞裝置橫傾角。具體步驟如下：
[0069]I】將被測物體基準面靠緊方位基準傳遞裝置且使得該被測物體基準面與OX軸垂直，調整方位基準傳遞裝置，使第一基準面與被測物體上基準面平行，然後將被測物體與方位基準傳遞裝置固定，保持二者靜止。其中被測物體基準面與被測物體上基準面相互垂直；
[0070]2】通過陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與直角稜鏡準直；
[0071]3】陀螺指北儀開始尋北，依靠其提供的瞄準直角稜鏡光線的地理方位角、瞄準直角稜鏡光線仰角，以及方位基準傳遞裝置縱傾角、方位基準傳遞裝置橫傾角，確定方位基準傳遞裝置縱向軸指示的地理方位角，計算公式如下：
[0072]Wb^Wc+sirf1 (tan Θ ctan y bcos Θ b_tan y bsin Θ b)
[0073]式中，
[0074]Ψ,t為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」，
[0075]Ψο為陀螺指北儀北向角測量值，定義北偏西為正，
[0076]Θ b為慣性測量裝置的俯仰角，
[0077]Y b為慣性測量裝置的橫滾角，[0078]Θ c為陀螺指北儀測量時的經緯儀光管仰角。
[0079]採用測試方法二時，計算被測物體縱向軸指示的地理方位角的近似計算公式見公式(2)，該式能夠保證被測物體傾角和光管仰角不大於10°時的方位計算誤差小於0.3'。
[0080]屯^=屯0+8；[]1-1 (tan Θ ctan Ybcos Θ b-tan Ybsin Θ b)...............(2) [0081]應用測試方法二時的安裝方式，將方位基準傳遞裝置定位面與定位定向裝置(被測物體)縱向軸負向定位面靠緊，調整方位基準傳遞裝置，使其上基準面與定位定向裝置橫軸平行，然後將方位基準傳遞裝置與定位定向裝置固定，保持二者靜止。通過定位定向裝置自主尋北提供俯仰角和橫滾角，通過高精度陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與稜鏡準直後開始尋北，記錄陀螺指北儀的尋北結果、光管仰角，根據大傾角時的方位確定方法計算定位定向裝置縱向軸指示的地理方位角。
【權利要求】
1.一種慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，其特徵在於：包括結構工裝、直角稜鏡組件和配套緊固件；以結構工裝上某點為原點O建立三維坐標系，其中縱軸Xb、豎軸Yb、橫軸Zb, 所述結構工裝包括方柱狀本體（4)、分別設置在方柱狀本體（4)兩端的兩個腰形孔（5);所述腰形孔的軸向與縱軸Xb平行；所述結構工裝的其中兩個側面上設置有相互垂直的第一基準面（6)和第二基準面，其中第一基準面（6)與縱軸Xb和橫軸Zb構成的平面平行，第二基準面與橫軸Zb和豎軸Yb構成的平面平行且與稜鏡相對； 所述直角稜鏡組件包括稜鏡工裝（2)和直角稜鏡（I);所述稜鏡工裝設置在方柱狀本體(4)上，所述直角稜鏡的工作面與橫軸Zb和縱軸Xb構成的平面平行；所述直角稜鏡（I)被配套緊固件（3)固定在稜鏡工裝（2)上。
2.根據權利要求1所述的慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，其特徵在於：所述基準面分成兩部分，對稱分布在結構工裝中軸線的兩側。
3.根據權利要求1或2所述的慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，其特徵在於：所述稜鏡工裝設置在方柱狀本體（4)的中部。
4.根據權利要求3所述的慣性測量裝置方位基準傳遞裝置，其特徵在於：所述配套緊固件（3)包括緊固螺釘、墊圈和墊片。
5.一種慣性測量裝置大傾角時方位確定方法，其特徵在於：包括以下步驟： 1】將被測物體的基準面與方位基準傳遞裝置的第二基準面靠緊，調整方位基準傳遞裝置，使OZ軸與當地水平面平行，然後將方位基準傳遞裝置與被測物體固定，保持二者靜止；2】通過陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與直角稜鏡準直； 3】陀螺指北儀開始尋北，尋北結果即為被測物體縱向軸指示的地理方位角，計算公式為： Ψbr=Ψc 式中：
為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」; Ψ。為陀螺指北儀北向角測量值，定義北偏西為正。
6.一種慣性測量裝置大傾角時方位確定方法，其特徵在於：包括以下步驟： 1】將被測物體基準面靠緊方位基準傳遞裝置且使得該被測物體基準面與OX軸垂直，調整方位基準傳遞裝置，使第一基準面與被測物體的上基準面平行，然後將被測物體與方位基準傳遞裝置固定，保持二者靜止； 2】通過陀螺指北儀瞄準直角稜鏡，調整陀螺指北儀與直角稜鏡準直； 3】陀螺指北儀開始尋北，依靠其提供的瞄準直角稜鏡光線的地理方位角、瞄準直角稜鏡光線仰角，以及方位基準傳遞裝置縱傾角和橫傾角，確定方位基準傳遞裝置縱向軸指示的地理方位角，計算公式如下：
Ψ^=Ψε+8?η_1 (tan Θ ctan y bcos Θ b-tan y bsin Θ b) 式中，
為計算的慣性測量裝置的北向角「真值」， Ψc為陀螺指北 儀北向角測量值，定義北偏西為正， θb為慣性測量裝置的俯仰角，Yb為慣性測量裝置的橫滾角，θC為陀螺指北儀測量時的經緯儀光管仰角。
【文檔編號】G01C21/16GK103759743SQ201410044734
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月29日 優先權日:2014年1月29日
【發明者】王朝光, 謝波, 楊朋軍, 江文欣, 李漢舟 申請人:西安航天精密機電研究所