劉世鵬 范超 楊宏智 尚永爽

摘要：為了比較基于雙軸加計的捷聯(lián)航姿與基于三軸加計的捷聯(lián)航姿航向姿態(tài)精度，設(shè)計了基于雙軸加計的航姿解算方法，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。試驗結(jié)果表明：兩型航姿對準(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;三軸加計

0 引言

捷聯(lián)航姿的基本原理是根據(jù)牛頓提出的相對慣性空間的力學(xué)定律，利用陀螺儀、加速度計等慣性元件感受載體在運動過程中的角速度和加速度，通過計算機進行航姿解算，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等部件組成的，直接安裝在運載體上。運動過程中，通過陀螺測定載體相對慣性坐標(biāo)系的運動角速度，并由此計算載體坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣。通過該矩陣，把加速度計測得的加速度信息變換至導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后進行導(dǎo)航計算，導(dǎo)航計算得到的導(dǎo)航信息進行控制反饋，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)航姿的實現(xiàn)上，都采用傳統(tǒng)的三軸陀螺、三軸加速度計組成的捷聯(lián)系統(tǒng)進行解算航向、姿態(tài)信息，對于一些特殊的場景使用，Z軸加速度計的設(shè)計可以去除。掌握兩軸加計航姿設(shè)計技術(shù)，在適合的場景中使用，可以降低航姿研制成本，具有一定的工程應(yīng)用價值。本文就基于雙軸加計設(shè)計一型航姿，并進行了試驗研究。

1 ?原理設(shè)計

兩軸加計捷聯(lián)航姿中，捷聯(lián)航姿采用光纖速率陀螺來感測飛機飛行過程中沿機體三個軸向上的運動角速率、采用兩個撓性擺式加速度計來感測X軸和Y軸加速度信號，接收捷聯(lián)磁傳感器感測三個軸向上的地磁信號，經(jīng)電子線路量化、修正后傳輸給導(dǎo)航解算板，進行磁航向、姿態(tài)的解算。將航向、姿態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)字信號向外發(fā)出。

2 ?結(jié)構(gòu)件設(shè)計

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：提供兩軸加計的安裝支架。兩軸加計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

兩軸加計捷聯(lián)航姿功能電路設(shè)計有磁解調(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)計有直流28 V電源的電源濾波、瞬態(tài)抑制、欠壓及斷電保護及磁信號解調(diào)電路等;

電源板：直流電源板主要完成電源變換功能，通過DC/DC進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)計電源故障檢測電路;

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

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

4 ?軟件設(shè)計原理

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

捷聯(lián)航姿使用兩軸加速度計的方案是相對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（ax、ay）。利用有載體姿態(tài)時，水平安裝的加速度計在法向的投影計算俯仰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)計算：

原來機體法向加速度計的測量值由重力加速度隨載體姿態(tài)變化的投影替代。

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

5 ?試驗驗證

將產(chǎn)品置于轉(zhuǎn)臺或具有航向基準(zhǔn)的試驗臺上，進行多次重復(fù)對準(zhǔn)試驗，用于確定對準(zhǔn)精度是否滿足使用要求。其中在方位195°情況下對準(zhǔn)航向姿態(tài)數(shù)據(jù)見表1。

將產(chǎn)品安裝于試驗車上進行跑車試驗，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

雙軸加計捷聯(lián)航姿經(jīng)過原理驗證和系統(tǒng)級常溫功能性能、搖擺、振動和跑車試驗驗證，原理正確，與三軸加計捷聯(lián)航姿系統(tǒng)航向、姿態(tài)對比，精度相當(dāng)。

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

參考文獻：

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[2]嚴恭敏，翁浚.捷聯(lián)慣導(dǎo)算法與組合導(dǎo)航原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2019.4