四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法及装置

技术领域

本发明属于惯性寻北技术领域，特别涉及一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法及装置。

背景技术

陀螺寻北仪是一种在无其它辅助设备情况下能够全天时自动计算真北方位的仪器设备。在民用矿山、铁路、桥梁建设以及军用武器、单兵侦察等测量领域有极为广泛的应用。其主要是利用自身惯性测量器件、角度传感器以及转位机构通过多位置旋转获取在不同指向情况下的地球角速度，并通过不同位置之间的角速度逻辑关系获取真北方位。

寻北仪在进行调平之后将通过位置旋转获取计算北向角所需要的静态四位置光纤陀螺输出角速度，其过程实际为寻北仪在无倾斜角情况下获取的地球自转角速度在水平方向的分量，而在此过程中，其容易受到两方面的影响。一是寻北仪支撑基座的扰动情况，导致其在非静态情况下获取了噪声较大的角速度，最终影响到寻北角的解算。二是操作人员旋转位置后，装置由于运动惯性带来的抖动情况，导致其在静态情况下引入了不易察觉的噪声角速度，最终也会影响到寻北角的解算。因此为了保证其在位置旋转过程中能够隔离到非静态的噪声角速度，在其寻北流程中设计一种消除由于外部扰动、抖动引入的角速度误差的数据处理及时序流程，从而保证寻北仪的寻北精度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有四位置寻北仪易受扰动和抖动影响而无法保证精度，提出一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法及装置，有效隔离由外部扰动以及自身抖动引入的噪声角速度，提高了寻北精度。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，包含以下步骤：

步骤1，利用寻北仪水平安装的加速度计对寻北仪进行调平，寻北仪输出调平状态；

步骤2，调平结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，当该差值绝对值连续若干秒大于第一阈值时，上报扰动状态，当该差值绝对值连续若干秒小于第一阈值时，寻北仪输出非扰动状态；利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪旋转到间隔90°的第一位置；

步骤3，位置转动结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，当该差值绝对值连续若干秒都大于第二阈值时，上报抖动状态，延长数据采集时长，并持续查询该差值绝对值大小；当该差值绝对值连续若干秒都小于第二阈值时，寻北仪开始进行位置一角速度采集状态；

步骤4，位置一数据采集后，利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪依次旋转到间隔180°的第二位置、间隔270°的第三位置、间隔360°的第四位置，并依据步骤3进行数据采集；

步骤5，待四位置的陀螺数据采集结束后，利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位角，上报寻北结束状态。

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，所述单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，表达式为：

w

其中，w

每2.5ms采集一次单轴光纤陀螺仪原始数据，通过误差补偿模型对其进行补偿，获取每2.5ms的角增量，通过连续采集400帧，获取1s对应的角增量，通过增量与时间的比值实时解算位置一的1s角速度，再通过时间转换获取1h对应的角速度；因此单轴光纤陀螺仪在位置一采集的1s均值角速度w

其中，w

地球自转角速度在水平方向的分量w

w

其中，w

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，当差值w

|w

其中，n为计算数量，分别为1≤n≤3。

当差值w

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，所述单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，计算公式如下：

w

其中，w

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，当差值w

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，所述第二阈值设定为3°/h是依据寻北仪在正常静态工作情况下单轴光纤陀螺仪输出的实际数据前后1s差值而定。

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，所述步骤4包括：

按逆时针方向、间隔为90°旋转四次，分别获取位置一、位置二、位置三以及位置四的无扰动情况下的静态陀螺数据P1G、P2G、P3G、P4G。

根据本发明四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，进一步地，所述利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位角

本发明还提供了一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北装置，包括调平模块、抗扰动模块、抗抖动模块、四位置数据采集模块和初始方位角计算模块；其中：

调平模块，用于利用寻北仪水平安装的加速度计对寻北仪进行调平，寻北仪输出调平状态；

抗扰动模块，用于调平结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，当该差值绝对值连续若干秒大于第一阈值时，上报扰动状态，当该差值绝对值连续若干秒小于第一阈值时，寻北仪输出非扰动状态；利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪旋转到间隔90°的第一位置；

抗抖动模块，用于位置转动结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，当该差值绝对值连续若干秒都大于第二阈值时，上报抖动状态，延长数据采集时长，并持续查询该差值绝对值大小；当该差值绝对值连续若干秒都小于第二阈值时，寻北仪开始进行位置一角速度采集状态；

四位置数据采集模块，用于位置一数据采集后，利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪依次旋转到间隔180°的第二位置、间隔270°的第三位置、间隔360°的第四位置，并进行数据采集；

初始方位角计算模块，用于待四位置的陀螺数据采集结束后，利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位角，上报寻北结束状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法通过建立一种抗扰动寻北流程和时序，建立数据处理方案，可以检测寻北仪工作环境以及有效隔离掉由于外部扰动和自身抖动造成的寻北精度较差的问题，提高寻北仪寻北精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的寻北仪在正常静态工作情况下单轴光纤陀螺仪输出的实际数据前后1s差值曲线图；

图3是本发明实施例的寻北仪实时方位角解算原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法，适用于利用转位机构进行多位置旋转的地面寻北仪，包含以下步骤：

步骤S1，利用寻北仪水平安装的加速度计对寻北仪进行调平，寻北仪输出调平状态。

具体地，分别在寻北仪的轴向(俯仰轴)和横向(横滚轴)安装第一加速度计和第二加速度计，其中在轴向与第一加速度计安装面平行的基准面上安装一个单轴光纤陀螺仪；利用第一加速度计和第二加速度计在时间段内的1s输出加速度与重力加速度的比值，对寻北仪进行调平。寻北仪还具备多位置转位机构。

步骤S2，调平结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，当该差值绝对值连续3s大于0时，上报扰动状态，当该差值绝对值连续3s小于0时，寻北仪输出非扰动状态。利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪旋转到间隔90°的第一位置。

具体地，①单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，表达式为：

w

其中，w

②本实施例每2.5ms采集一次单轴光纤陀螺仪原始数据，通过误差补偿模型对其进行补偿，获取每2.5ms的角增量，通过连续采集400帧，可获取1s对应的角增量，通过增量与时间的比值实时解算位置一的1s角速度，再通过时间转换可获取1h对应的角速度；因此单轴光纤陀螺仪在位置一采集的1s均值角速度w

其中，w

③地球自转角速度在水平方向的分量w

w

其中，w

④当该差值w

|w

其中，n为计算数量，分别为1≤n≤3。

当该差值w

步骤S3，位置转动结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，当该差值绝对值连续5s都大于3°/h时，上报抖动状态，延长数据采集时长，并持续查询该差值绝对值大小；当该差值绝对值连续5s都小于3°/h时，寻北仪开始进行位置一角速度采集状态。

具体地，单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，计算公式如下：

w

其中，w

当该差值w

上面阈值设定为3°/h是依据寻北仪在正常静态工作情况下单轴光纤陀螺仪输出的实际数据前后1s差值而定，如图2所示，当寻北仪在无抖动情况下，其1s数据角速度的前后差处于±2°/h范围内，故设定阈值3°/h。

步骤S4，位置一数据采集后，利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪依次旋转到间隔180°的第二位置、间隔270°的第三位置、间隔360°的第四位置，并依据步骤S3进行数据采集。

具体地，如图3所示，按逆时针方向、间隔为90°旋转四次，分别获取位置一、位置二、位置三以及位置四的无扰动情况下的静态陀螺数据P1G、P2G、P3G、P4G。

步骤S5，待四位置的陀螺数据采集结束后，利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位角，上报寻北结束状态。

利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位(北向)角

与上述四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法相应地，本实施例还提出一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北装置，包括调平模块、抗扰动模块、抗抖动模块、四位置数据采集模块和初始方位角计算模块；其中：

调平模块，用于利用寻北仪水平安装的加速度计对寻北仪进行调平，寻北仪输出调平状态；

抗扰动模块，用于调平结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的角速度绝对值与地球自转角速度北向分量绝对值的差值，当该差值绝对值连续若干秒大于第一阈值时，上报扰动状态，当该差值绝对值连续若干秒小于第一阈值时，寻北仪输出非扰动状态；利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪旋转到间隔90°的第一位置；

抗抖动模块，用于位置转动结束后，利用寻北仪计算机查询单轴光纤陀螺仪参数补偿后输出的1s角速度绝对值前后差值，当该差值绝对值连续若干秒都大于第二阈值时，上报抖动状态，延长数据采集时长，并持续查询该差值绝对值大小；当该差值绝对值连续若干秒都小于第二阈值时，寻北仪开始进行位置一角速度采集状态；

四位置数据采集模块，用于位置一数据采集后，利用寻北仪的转位机构将单轴光纤陀螺仪依次旋转到间隔180°的第二位置、间隔270°的第三位置、间隔360°的第四位置，并进行数据采集；

初始方位角计算模块，用于待四位置的陀螺数据采集结束后，利用四位置角速度计算方位角模型解算初始方位角，上报寻北结束状态。

综上，本发明设计一种四位置陀螺寻北仪的抗扰动寻北方法及装置，通过判断寻北仪单轴光纤陀螺仪输出的角速度与地球自转角速度的差值检测外部扰动状态，再通过判断单轴光纤陀螺仪输出的1s角速度前后差值检测自身抖动状态，从而进行有效隔离由外部扰动以及自身抖动引入的噪声角速度，提高了寻北仪寻北精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。