[發明專利]基于天文姿態基準保持的垂線偏差動態測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201310730904.5
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103674030A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 戰德軍;戴東凱;秦石喬;王省書;黃宗升;胡春生;周金鵬;鄭佳興;吳偉;趙李健
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

1.一種基于天文姿態基準保持的垂線偏差動態測量裝置，包括由慣性導航系統（1）、GPS天線（2）、GPS接收機（3）組成的INS/GPS姿態測量子系統、星敏感器（4），所述慣性導航系統（1）包括三個正交安裝的激光陀螺（11），所述三個正交安裝的激光陀螺（11）與GPS接收機（3）組成LGU/GPS姿態測量子系統，三個激光陀螺（11）均與GPS接收機（3）通信；其特征在于，所述慣性導航系統（1）、GPS天線（2）、GPS接收機（3）、星敏感器（4）均安裝于測量載體（5）上；所述慣性導航系統（1）、GPS接收機（3）、星敏感器（4）均與數據處理計算機（6）連接；所述GPS天線（2）與所述GPS接收機（3）通信。

2.一種利用權利要求1所述裝置動態測量垂線偏差的方法，其特征在于，該方法為：

1）啟動INS/GPS姿態測量子系統，進行8小時以上對準；

2）啟動LGU/GPS測量子系統；

3）令i=1；

4）利用星敏感器觀測恒星，計算t_i,1時b系相對于n系的姿態矩陣其中b系是指慣性導航系統坐標系O_b-x_by_bz_b；n系是指真實導航坐標系，即東-北-天坐標系O-xyz；

5）利用上述姿態矩陣對LGU/GPS姿態測量子系統進行姿態初始化，令LGU/GPS姿態測量子系統的姿態矩陣為

6）令j=2；

7）利用GPS輸出的位置信息計算t_i,j-1到t_i,j時刻n系的變化矩陣Cn(i,j-1)n(i,j)=Cen(i,j)·[Cen(i,j-1)]T,]]>其中，[]^T表示矩陣的轉置；

和分別為t_i,j-1和t_i,j時刻n系相對于地球坐標系e系的姿態矩陣，的計算公式如下：

Cen(i,j)=-sinλi,jcosλi,j0-sinLi,jcosλi,j-sinLi,jsinλi,jcosLi,jcosLi,jcosλi,jcosLi,jsinλi,jsinLi,j;]]>

其中t_i,j時刻是指第i次利用星敏感器觀測恒星后，第j次LGU/GPS姿態測量子系統姿態更新的時刻；t_i,j=t_i,j-1+δt，δt為激光陀螺的采樣周期；λ_i,j、L_i,j分別為t_i,j時刻測量載體所在的經度和緯度；

8）將t_i,j-1到t_i,j時刻采樣周期δt內三個激光陀螺的輸出角增量分別記為并利用三個激光陀螺的零偏ε_x、ε_y、ε_z修正三個激光陀螺的輸出角增量，得到修正后的三個激光陀螺角增量分別為：θx=θ^x-ϵx,]]>θy=θ^y-ϵy,]]>θz=θ^z-ϵz;]]>

9）利用下式構造四元數q：

q=cosθ2θxθsinθ2θyθsinθ2θzθsinθ2;]]>

其中θ=θx2+θy2+θz2;]]>

10）計算t_i,j-1到t_i,j時刻測量慣性導航系統坐標系的變化矩陣

Cb(i,j-1)b(i,j)=q02+q12-q22-q322(q1q2-q0q3)2(q1q3+q0q2)2(q1q2+q0q3)q02-q12+q22-q322(q2q3-q0q1)2(q1q3-q0q2)2(q2q3+q0q1)q02-q12-q22+q32;]]>

其中，q₀、q₁、q₂、q₃分別為q的第1～4個元素；

11）計算t_i,j時刻b系相對于n系的姿態矩陣

Cb(i,j)n(i,j)=Cn(i,j-1)n(i,j)·Cb(i,j-1)n(i,j-1)·[Cb(i,j-1)b(i,j)]T;]]>

12）計算t_i,j時刻n'系到n系之間的姿態旋轉矩陣其中n'系是指O'-x'y'z'，即計算導航坐標系，為t_i,j時刻INS/GPS姿態測量子系統輸出的姿態矩陣；

13）利用下式計算t_i,j時刻測量位置東向垂線偏差η_i,j和北向垂線偏差ξi,j:ξi,j=Cn′(i,j)n(i,j)(3,1)ηi,j=Cn′(i,j)n(i,j)(2,3);]]>其中，表示矩陣的第3行，第1列的元素；表示矩陣的第2行，第3列的元素；Cn′(i,j)n(i,j)≈10-ξi,j01ηi,jξi,j-ηi,j1;]]>

14）判斷是否接收到“結束測量”的命令，如果是，跳轉到步驟16）；否則，執行步驟15）；

15）當j·δt>T_i時，令i=i+1，并跳轉到步驟4）；否則，令j=j+1，并跳轉到步驟7）；其中，T_i為星敏感器觀測恒星時刻t_i,1到下一次星敏感器觀測恒星時刻t_i+1,1所經歷的時間，T_i的取值范圍為6～8小時；

16）修正上述步驟15）中的東向垂線偏差η_i,j和北向垂線偏差ξ_i,j的低頻誤差和跳變誤差，得到修正后的東向垂線偏差和北向垂線偏差；

17）結束測量。