專利名稱：：一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)、慣性/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)和陀螺間接穩(wěn)定
技術(shù)領(lǐng)域：
，所述的組合導(dǎo)航/光電探測(cè)一體化系統(tǒng)可應(yīng)用于無人偵察飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、地面戰(zhàn)車等。
背景技術(shù)：
：導(dǎo)航系統(tǒng)和光電探測(cè)系統(tǒng)是制導(dǎo)武器、智能戰(zhàn)車、無人偵察飛機(jī)等智能運(yùn)載體不可或缺的分系統(tǒng)。傳統(tǒng)的光電探測(cè)系統(tǒng)往往采用平臺(tái)式陀螺穩(wěn)定方案，不需要借助導(dǎo)航系統(tǒng)的任何信息，其視軸穩(wěn)定精度較高且技術(shù)較為成熟，但體積和重量均較大，不適合對(duì)體積和重量要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合。為滿足小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和微小型無人機(jī)對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)小型化、低成本的要求，間接穩(wěn)定式光電探測(cè)系統(tǒng)越來越成為研究熱點(diǎn)。間接穩(wěn)定技術(shù)是指利用載體導(dǎo)航系統(tǒng)的角速率信息，通過坐標(biāo)變換求得視軸的擾動(dòng)角速率，并控制視軸轉(zhuǎn)動(dòng)以補(bǔ)償載體運(yùn)動(dòng)引入的擾動(dòng)角速率，從而實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定。該技術(shù)可大大縮小光電探測(cè)系統(tǒng)的體積、重量，并降低成本。自1993年Rutin提出間接穩(wěn)定技術(shù)以來，該技術(shù)得到了廣泛的研究，我國(guó)也開始間接穩(wěn)定技術(shù)的相關(guān)研究，但尚未解決視軸穩(wěn)定精度的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的陀螺穩(wěn)定光電探測(cè)系統(tǒng)體積重量大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，將導(dǎo)航系統(tǒng)和光電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了體積、重量，同時(shí)將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息應(yīng)用于光電探測(cè)系統(tǒng)，提高了光電探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和搜索目標(biāo)的速度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元、GPS接收系統(tǒng)、綜合計(jì)算機(jī)、光電穩(wěn)瞄儀；綜合計(jì)算機(jī)采集慣性測(cè)量單元和GPS接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三大功能第一、結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法及卡爾曼濾波算法進(jìn)行慣性和GPS組合導(dǎo)航解算，得到載體的位置、速度和姿態(tài)，同時(shí)估計(jì)出慣性測(cè)量單元所含陀螺儀的漂移；第二、根據(jù)組合導(dǎo)航解算得到的載體的位置、速度和姿態(tài)，計(jì)算視軸穩(wěn)定指令角速度并控制光電穩(wěn)瞄儀實(shí)現(xiàn)視軸的慣性空間穩(wěn)定；第三、利用組合導(dǎo)航解算得到的載體的位置和姿態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)位置信息，計(jì)算目標(biāo)搜索指令角并控制光電穩(wěn)瞄儀快速搜索并鎖定目標(biāo)。所述綜合計(jì)算機(jī)控制光電穩(wěn)瞄儀實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定的具體過程為a.綜合計(jì)算機(jī)采集慣性測(cè)量單元輸出的沿載體坐標(biāo)系的角速度及比力信息^bm、bm和GPS接收系統(tǒng)輸出緯度^g^、經(jīng)度A,、東向速度V,e、北向速度V③/，并結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法和卡爾曼濾波算法，解算出安裝載體的緯度P、經(jīng)度入、速度V、俯仰角(K、橫滾角小y、航向角c^，并且估計(jì)出慣性測(cè)量單元所!陀螺儀的漂移值7b;—b.將慣性測(cè)量單元的角速度信息進(jìn)行漂移補(bǔ)償，得到載體的運(yùn)動(dòng)角速度b的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>對(duì)載體的運(yùn)動(dòng)角速度進(jìn)行坐標(biāo)變換得到光電穩(wěn)瞄儀視軸擾動(dòng)角速度1()S，其表達(dá)方式為=Cf^J6，其中cblqs為載體坐標(biāo)系至視軸坐標(biāo)系的變換矩陣；c.以^1()S作為光電穩(wěn)瞄儀的輸入指令，控制光電穩(wěn)瞄儀轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了視軸的慣性空間穩(wěn)定。所述的綜合計(jì)算機(jī)控制光電穩(wěn)瞄儀快速搜索并鎖定目標(biāo)的具體過程為a.目標(biāo)緯度^v和經(jīng)度aT由指揮系統(tǒng)提供，組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供載體的緯度p、經(jīng)度入、俯仰角小p橫滾角小y、航向角^K，利用上述信息計(jì)算出目標(biāo)所在地的地理坐標(biāo)系相對(duì)于安裝載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(CC小。/)t的表達(dá)式為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>b.定義光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系相對(duì)于載[據(jù)步驟a計(jì)算得到的目標(biāo)地理坐標(biāo)系相對(duì)于載亍:^相對(duì)于光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系的:z)t，根:t，求得目為標(biāo)地理系相對(duì)廣sin-乂-r23):系相對(duì)于載體坐標(biāo)系'于載體坐標(biāo)系的:一—'i勺轉(zhuǎn)角(小口u乂衣,,l勺轉(zhuǎn)角(小。a,a,的安裝偏角為(''、t/，tTZ)。t的表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>r(U為目標(biāo)地理系儀安裝基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>:載體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，r(i)為載體坐標(biāo)系至光電穩(wěn)瞄r分別表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>c.根據(jù)步驟b的計(jì)算結(jié)果，求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>目標(biāo)搜索指令角為方位角^=-《T"，俯仰角<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>Sp=-《r。D.根據(jù)步驟c的計(jì)算結(jié)果，綜合計(jì)算機(jī)即可控制光電穩(wěn)瞄儀快速轉(zhuǎn)動(dòng)方位角np和俯仰角％，使光軸迅速指向目標(biāo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)光電探測(cè)系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)往往是探測(cè)、偵察、攻擊型自主飛行器兩個(gè)不可或缺的分系統(tǒng)，兩分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，需兩套慣性測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)，成本較高，體積重量較大。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，光電探測(cè)系統(tǒng)可借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息完成高精度視軸穩(wěn)定、快速目標(biāo)搜索等功能，不需要獨(dú)立的慣性測(cè)量單元和控制計(jì)算機(jī)。相比傳統(tǒng)的光電探測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、精度高的特點(diǎn)。(2)本發(fā)明利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)得到的陀螺漂移進(jìn)行視軸穩(wěn)定誤差補(bǔ)償，提高了光電穩(wěn)瞄儀的視軸穩(wěn)定精度。(3)利用組合導(dǎo)航解算得到的載體的位置和姿態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)的位置信息，計(jì)算目標(biāo)搜索指令角并控制光電穩(wěn)瞄儀快速搜索并鎖定目標(biāo)，提高了搜索目標(biāo)的速度。圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框架圖；圖2為實(shí)施本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理框圖；圖3為實(shí)施本發(fā)明的載體運(yùn)動(dòng)過程中視軸的擾動(dòng)角速率曲線；圖4為實(shí)施本發(fā)明的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差曲線；圖5為實(shí)施本發(fā)明的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的速度誤差曲線；圖6為實(shí)施本發(fā)明的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)誤差曲線；圖7為實(shí)施本發(fā)明的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺漂移估計(jì)曲線；圖8為實(shí)施本發(fā)明的光電穩(wěn)瞄儀控制系統(tǒng)原理框圖；圖9為未補(bǔ)償陀螺漂移時(shí)的視軸穩(wěn)定結(jié)果；圖10為本發(fā)明利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)陀螺漂移并進(jìn)行補(bǔ)償后的視軸穩(wěn)定結(jié)果。具體實(shí)施例方式下面以小型無人機(jī)機(jī)載組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)為例來闡述本發(fā)明的具體實(shí)施過程。如圖1所示，本發(fā)明機(jī)載組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元IMU1、GPS接收系統(tǒng)2、綜合計(jì)算機(jī)3、光電穩(wěn)瞄儀6。綜合計(jì)算機(jī)3采集慣性測(cè)量單元1和GPS接收系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三大功能一、結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法4及卡爾曼濾波算法5進(jìn)行慣性/GPS組合導(dǎo)航解算，得到載體的位置、速度、姿態(tài)，同時(shí)估計(jì)出慣性測(cè)量單元所含陀螺儀的漂移值；二、計(jì)算視軸穩(wěn)定指令角速度并控制光電穩(wěn)瞄儀實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定，利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)得到的陀螺漂移進(jìn)行視軸穩(wěn)定誤差補(bǔ)償，提高光電穩(wěn)瞄儀的視軸穩(wěn)定精度；三、利用組合導(dǎo)航解算得到的位置、姿態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)的位置信息，計(jì)算目標(biāo)搜索指令角并控制光電穩(wěn)瞄儀6快速搜索并鎖定目標(biāo)。如附圖2所示，本發(fā)明的流程如下1、慣性測(cè)量單元輸出載體的擾動(dòng)角速度及比力信號(hào)bm、^m:少其中"bx，"by，"bz分別為載體繞X，Y，Z軸的運(yùn)動(dòng)角速率；、，S，、分別為慣性測(cè)量單元內(nèi)含的X，Y，Z陀螺的角速率測(cè)量誤差，即陀螺漂移；fbx，fby，fbz分別為載體在X，Y，Z方向的比力；Aax，Aay，Aaz分別為慣性測(cè)量單元內(nèi)含的X，Y，Z加速度計(jì)的測(cè)量誤差，即加計(jì)零偏。2、光電穩(wěn)瞄儀6安裝基座相對(duì)載體的安裝偏角a=[axayajT可在光電穩(wěn)瞄儀安裝時(shí)進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量得到，其中ax，ay，a,分別為光電穩(wěn)瞄儀安裝基座相對(duì)于載體坐標(biāo)系X，Y，Z軸的安裝偏角；光電穩(wěn)瞄儀6的視軸可繞方位和俯仰軸運(yùn)動(dòng)，其方位角n和俯仰角e可由光電穩(wěn)瞄儀6內(nèi)置的測(cè)角裝置(光柵或旋轉(zhuǎn)變壓器或光電碼盤)測(cè)量得到；由此可以計(jì)算得到載體運(yùn)動(dòng)引起的視軸擾動(dòng)角速率^為:los=R(e)R(n)R(a):bm式(2)其中，^^m為陀螺測(cè)量得到的載體的運(yùn)動(dòng)角速率；R(a)為載體坐標(biāo)系至光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；R(n)為繞光電穩(wěn)瞄儀方位軸的旋轉(zhuǎn)矩陣；R(e)為繞光電穩(wěn)瞄儀俯仰軸的旋轉(zhuǎn)矩陣；可分別表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>為了使視軸穩(wěn)定，即^/。，=0，可以求得視軸穩(wěn)定的指令角速度為:p=-77^=-R(e)R(n)R(a):bm式(3)由于陀螺測(cè)量值^^m包含陀螺漂移T，所以利用式(3)計(jì)算得到的指令角速度控制光電穩(wěn)瞄儀6時(shí)會(huì)產(chǎn)生視軸穩(wěn)定誤差。3、根據(jù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，利用慣性測(cè)量單元的角速率及比力信息，可解算得到系統(tǒng)的緯度&,、經(jīng)度入iM、東向速度Vi二北向速度Vin/和姿態(tài)角i^，其中捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法如下[OOM](1)姿態(tài)計(jì)算使用姿態(tài)四元數(shù)來更新姿態(tài)。四元數(shù)微分方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>1h《，M《其中，q為所定義的四元數(shù)《-《=<-C(CX-《);為載體坐標(biāo)系下的角速率；Tnb為導(dǎo)航坐標(biāo)系至載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；"j為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的載體位移角速率；"j為地球坐標(biāo)系下的地球自轉(zhuǎn)角速度；(^為地球坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；Vnx，Vny為載體的東向和北向速度；RN，RM分別為地球在子午面和垂直子午面方向上的地球曲率半徑；p為載體所在地的緯度?？刹捎盟碾A龍格庫塔法進(jìn)行姿態(tài)微分方程解算。(2)速度更新速度微分方程為"+(2《+収+g"式(5)其中，1^為載體坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，fb為載體坐標(biāo)系下的比力值，"ien，"j分別為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的地球自轉(zhuǎn)角速率和載體的位移角速率；Vn為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)速度；gn為當(dāng)?shù)刂亓铀俣??？刹捎靡浑A歐拉法解算速度微分方程。(3)位置更新基于位置矩陣更新位置信息的微分方程為《"=_《式(6)其中，c;n為地球坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的變換矩陣，也可稱為位置矩陣。可用一階歐拉法解算位置矩陣微分方程。4、引入GPS的緯度^g戸、經(jīng)度A,、東向速度V,e、北向速度V③/，進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，其解算步驟如下(1)選擇東北天地理坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，選擇狀態(tài)觀測(cè)量X如下X=[Avx,Avy,Ap，A;i,A^,AA,AA,sx，sy，sz,A"x,A"y:r;其中，A、為慣導(dǎo)系統(tǒng)的東向速度誤差，AVy為北向速度誤差，A^為緯度誤差，A入為經(jīng)度誤差，AcK為俯仰角誤差，A小y為橫滾角誤差，Ac^為航向角誤差，、為東向陀螺漂移，ey為北向陀螺漂移，、為天向陀螺漂移，Ac^為東向加速度計(jì)零偏，Aciy為北向加速度計(jì)零偏。(2)建立慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>+(2氣cosp.vv+-^~secp+2oiesinp.vz)Ap+△i)=厶A么-/X-2(氣sinp十、柳)Av廣、化-(2氣cosp+——2~secp)VxAp+AOjsinp+妙)A^-0,ecosp+"^x)AA-△、+&:-0,esinp+柳)A么-r^-"7△A+"^~7△、-％sin咖+^iW+A丑AZ+AiM+/z,&cospcosp-1-1-1、、、A—丄A",丄A上面各式中，RN，RM分別為地球在子午面和垂直子午面方向上的曲率半徑，h為載體的高度，P為當(dāng)?shù)鼐暥?，fx，fy，fz分別為東、北、天向的比力，為地球自轉(zhuǎn)角速度，vx、vy分別為載體的東向、北向速度，、是陀螺漂移一階馬爾可夫隨機(jī)過程的相關(guān)時(shí)間，、是加速度計(jì)零偏一階馬爾可夫隨機(jī)過程的相關(guān)時(shí)間。將上面各式寫成矩陣形式如下=+G(f)『0)式(8)其中X(t)是系統(tǒng)狀態(tài)向量，F(xiàn)(t)是系統(tǒng)矩陣，G(t)是系統(tǒng)噪聲矩陣，W(t)是系統(tǒng)噪聲向量。(3)確定系統(tǒng)的量測(cè)量為9<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>vinsE，U分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的載體的緯度、經(jīng)度、東向速度、北測(cè)方程為式(9)04X8]，V為量測(cè)噪聲，即GPS輸出信號(hào)的噪聲。(4)根據(jù)步驟(2)和(3)給出的狀態(tài)方程和量測(cè)方程，利用卡爾曼濾波算法，可以得到狀態(tài)變量的誤差估計(jì)值如下f=[Avex，Avey，化，，△《,△0ey，，&x，，&z,A"ex，A"e/并得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息為r五，其中，A",,入i向速度，因此可以得到j(luò)Y=BX+V其中B=[I4:'ey.入(t)=Ainsa)-AAe(t)式(10)w)=c(o)A(,)="/)其中，所用的卡爾曼濾波算法的離散化公式為義"4一1=《》—!^Gt—1《"-^巧,W尸"!《-i+込式(U)式11中，X"為k-1時(shí)刻的狀態(tài)變3:的估計(jì)值；J^^為一步轉(zhuǎn)移向量；FkI+FAt為離散化后的系統(tǒng)矩陣，I為單位陣，At=Is;Bk為k時(shí)刻的量測(cè)矩陣；Yk為系統(tǒng)的量測(cè)量；Qk為系統(tǒng)噪聲向量；Rk為量測(cè)噪聲向量。式10中，AvM為東向速度誤差的估計(jì)值；Avey為北向速度誤差的估計(jì)值；A^緯度誤差的估計(jì)值；AAe經(jīng)度誤差的估計(jì)值；AC^x為俯仰角誤差的估計(jì)值；A(^y為橫滾角誤差的估計(jì)值；A(tez為航向角誤差的估計(jì)值；eex為東向陀螺漂移的估計(jì)值；eey為北向陀螺漂移的估計(jì)值；eez為天向陀螺漂移的估計(jì)值；Aara為東向加速度計(jì)零偏的估計(jì)值；Aaey為北向加速度計(jì)零偏的估計(jì)值；Vj，VinsN，<^，Ains，4insx，4in/，c^/分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的東向速度、北向速度、緯度、經(jīng)度、俯仰角、橫滾角、航向角；VE，VN，AA，cj3x，小y，^分別為組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的東向速度、北向速度、緯度、經(jīng)度、俯仰角、橫滾角、航向角。5、根據(jù)組合導(dǎo)航解算結(jié)果，可得到機(jī)體系的角速度b的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>e(0式(12)其中77bm(t)為陀螺的測(cè)量值，Tjt)為組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)得到的地理系下的陀螺漂移，ctb為地理系至機(jī)體系的坐標(biāo)變換矩陣，其表達(dá)式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>為6、將式(12)得到的^b值替代式(3)中的bm則視軸穩(wěn)定指令角速度可以重寫"p=-R(e)R(n)R(a)"b式(13)式(13)計(jì)算得到的視軸穩(wěn)定指令角速度已消除了陀螺的漂移誤差，可大大提高系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度。7、根據(jù)組合導(dǎo)航系統(tǒng)給出載體的位置、速度及姿態(tài)角信息，可計(jì)算得到目標(biāo)搜索方位指令角np及俯仰指令角％，其計(jì)算流程如下(1)目標(biāo)緯度^V和經(jīng)度入1由指揮系統(tǒng)提供，組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供載體的緯度^、經(jīng)度入、俯仰角(K、橫滾角小y、航向角小2，利用上述信息計(jì)算出目標(biāo)所在地的地理坐標(biāo)系相對(duì)于安裝載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(小。/，小。/，小。/)T的表達(dá)式為目標(biāo)的緯度^V和經(jīng)度入T可由指揮系統(tǒng)提供，載體(如飛機(jī)、地面車等)的緯度P、經(jīng)度A、俯仰角(K、橫滾角小y、航向角小2可由組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算得到；利用以上信息可計(jì)算出目標(biāo)所在地的地理坐標(biāo)系相對(duì)于安裝載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(4cTx，小。/，小c/)T的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)定義光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系相對(duì)于載體坐標(biāo)系的安裝偏角為(ax，ay，a》T，該安裝偏角可由光電穩(wěn)瞄儀安裝時(shí)經(jīng)標(biāo)定和測(cè)量得到；根據(jù)步驟(1)計(jì)算得到的目標(biāo)地理系相對(duì)于載體系的轉(zhuǎn)角(c^/，小c/，c^/)T，可以求得目標(biāo)地理系相對(duì)于光電穩(wěn)定瞄儀安裝基座坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(C小。/，小。/)T的表達(dá)式為:廣丄-1/^、A<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>R(U為目標(biāo)J儀基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣:os《r0-01:系的旋轉(zhuǎn)矩陣，R(I)為載體坐標(biāo)系至光電穩(wěn)瞄城》:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(3)根據(jù)步驟(2)的計(jì)算結(jié)果，可以求得目標(biāo)搜索指令角為方位角^=—《r，俯仰角=—《7^8、在計(jì)算得到目標(biāo)搜索方位指令角np、俯仰指令角％以及視軸穩(wěn)定指令角速率:p的基礎(chǔ)上，控制計(jì)算機(jī)可控制光電穩(wěn)瞄儀6運(yùn)動(dòng)，完成視軸穩(wěn)定、目標(biāo)搜索等功能。本實(shí)施例選用的慣性測(cè)量單元內(nèi)含漂移為50(°)/h的MEMS陀螺和零偏為O.lmg的MEMS加速度計(jì)；小飛機(jī)在空中以20m/s的速度向東勻速直線飛行，飛行中因氣流干擾等因素的影響飛機(jī)將繞俯仰、橫滾、和方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并假設(shè)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為^J6=(°)/s，光電穩(wěn)瞄儀與載體的安裝偏角a=T，光電穩(wěn)瞄儀6的方位和俯仰轉(zhuǎn)角均為45。，則可以得到飛行過程中視軸的擾動(dòng)角速率如附圖3所示。本實(shí)施例選用的GPS接收系統(tǒng)的位置誤差為2米，速度誤差為0.05米/秒。圖4、5、6、7為慣性/GPS組合導(dǎo)航算法估計(jì)得到的載體的位置誤差、速度誤差、姿態(tài)角誤差、陀螺漂移；由圖示結(jié)果可知，組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置精度為2米，速度精度為0.05米/秒，俯仰及橫滾角精度為0.2度，方位角精度優(yōu)于1.0度。在得到載體的位置、姿態(tài)等信息后，可計(jì)算得到目標(biāo)搜索指令角n。及％，其精度優(yōu)于1.2度。光電穩(wěn)瞄儀6的視場(chǎng)角一般大于3度，所以光電穩(wěn)瞄儀6在執(zhí)行相應(yīng)的目標(biāo)搜索指令后可確保被探測(cè)目標(biāo)在視場(chǎng)范圍內(nèi)。圖8為光電穩(wěn)瞄儀6控制系統(tǒng)原理框圖，取Cm=11.4mNm/A，L=250uH，R=19.8Q，J=0.48g.cm.s2，Kf=26.7g.cm/rad/s，Td=2g.cm，校正環(huán)節(jié)Ku和Ke均采用PID調(diào)節(jié)。得到的視軸穩(wěn)定結(jié)果如下圖9、10所示，圖9為沒有補(bǔ)償陀螺漂移時(shí)的視軸穩(wěn)定結(jié)果；圖10為利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)陀螺漂移并進(jìn)行補(bǔ)償后的視軸穩(wěn)定結(jié)果。對(duì)比圖9、IO可知，通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)陀螺漂移并進(jìn)行補(bǔ)償后，視軸的穩(wěn)定精度得到了較大程度的提高。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施實(shí)例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，所有的不脫離本發(fā)明的精神和范圍的修改或局部替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。權(quán)利要求一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，其特征在于包括慣性測(cè)量單元(1)、GPS接收系統(tǒng)(2)、綜合計(jì)算機(jī)(3)、光電穩(wěn)瞄儀(6)；綜合計(jì)算機(jī)(3)采集慣性測(cè)量單元(1)和GPS接收系統(tǒng)(2)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三大功能第一、結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法(4)及卡爾曼濾波算法(5)進(jìn)行慣性和GPS組合導(dǎo)航解算，得到載體的位置、速度和姿態(tài)，同時(shí)估計(jì)出慣性測(cè)量單元(1)所含陀螺儀的漂移；第二、根據(jù)組合導(dǎo)航解算得到的載體的位置、速度和姿態(tài)，計(jì)算視軸穩(wěn)定指令角速度并控制光電穩(wěn)瞄儀(6)實(shí)現(xiàn)視軸的慣性空間穩(wěn)定；第三、利用組合導(dǎo)航解算得到的位置和姿態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)位置信息，計(jì)算目標(biāo)搜索指令角并控制光電穩(wěn)瞄儀(6)快速搜索并鎖定目標(biāo)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，其特征在于所述綜合計(jì)算機(jī)(3)控制光電穩(wěn)瞄儀(6)實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定的具體過程為a.綜合計(jì)算機(jī)(3)采集慣性測(cè)量單元(1)輸出的沿載體坐標(biāo)系的角速度bm及比力bm和GPS接收系統(tǒng)(2)輸出的緯度^^、經(jīng)度入，、東向速度V,E、北向速度V③/，并結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法(4)和卡爾曼濾波算法(5)，解算出安裝載體的緯度^、經(jīng)度A、速度V、俯仰角t、橫滾角、航向角t，并且估計(jì)出慣性測(cè)量單元(1)所含陀螺儀的漂移值^b;b.將慣性測(cè)量單元(1)輸出的角速度信息^^m進(jìn)行漂移補(bǔ)償，得到載體的運(yùn)動(dòng)角速度:b的表達(dá)式為對(duì)載體的運(yùn)動(dòng)角速度表達(dá)方式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Cb「b進(jìn)行坐標(biāo)變換得到光電穩(wěn)瞄儀(6)視軸擾動(dòng)角速度^，其為載體坐標(biāo)系至視軸坐標(biāo)系的變換矩陣；c.以^作為光電穩(wěn)瞄儀(6)的輸入指令，控制光電穩(wěn)瞄儀(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了視軸的慣性空間穩(wěn)定。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)，其特征在于所述的綜合計(jì)算機(jī)(3)控制光電穩(wěn)瞄儀(6)快速搜索并鎖定目標(biāo)的具體過程為A.目標(biāo)緯度Pr和經(jīng)度入1由指揮系統(tǒng)提供，組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供載體的緯度^、經(jīng)度入、俯仰角^K、橫滾角小y、航向角^K，利用上述信息計(jì)算出目標(biāo)所在地的地理坐標(biāo)系相對(duì)于安裝載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(CC小。/)t的表達(dá)式為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>B.定義光電穩(wěn)瞄儀(6)安裝基座坐標(biāo)系相對(duì)于載體坐標(biāo)系的安裝偏角為(aa》t，根據(jù)步驟A計(jì)算得到的目標(biāo)地理坐標(biāo)系相對(duì)于載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(小。/，小^t，求得目標(biāo)地理系相對(duì)于光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角(小，為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>小。/，小。/)t的表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>R(U為目標(biāo)地理系至載體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，R(i)為載體坐標(biāo)系至光電穩(wěn)瞄儀安裝基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，分別表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>C.根據(jù)步驟B的計(jì)算結(jié)果，求得目標(biāo)搜索指令角為方位角^--《r，俯仰角<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>D.根據(jù)步驟c的計(jì)算結(jié)果，綜合計(jì)算機(jī)(3)即可控制光電穩(wěn)瞄儀快速轉(zhuǎn)動(dòng)方位角np和俯仰角、，使光軸迅速指向目標(biāo)。全文摘要一種組合導(dǎo)航和光電探測(cè)一體化系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元IMU、GPS接收系統(tǒng)、綜合計(jì)算機(jī)、光電穩(wěn)瞄儀；慣性測(cè)量單元內(nèi)含三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)；綜合計(jì)算機(jī)采集IMU和GPS接收系統(tǒng)的輸出信息，實(shí)現(xiàn)(1)結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)解算算法及卡爾曼濾波算法進(jìn)行慣性和GPS組合導(dǎo)航解算，得到載體的位置、速度、姿態(tài)，同時(shí)估計(jì)出慣性測(cè)量單元所含陀螺儀的漂移；(2)計(jì)算視軸穩(wěn)定指令角速度并控制光電穩(wěn)瞄儀實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定，利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)得到的陀螺漂移進(jìn)行視軸穩(wěn)定誤差補(bǔ)償，提高光電穩(wěn)瞄儀的視軸穩(wěn)定精度；(3)利用組合導(dǎo)航解算得到的位置、姿態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)的位置信息，計(jì)算目標(biāo)搜索指令角并控制光電穩(wěn)瞄儀快速搜索并鎖定目標(biāo)。本發(fā)明大大降低了系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時(shí)提高了分系統(tǒng)的性能。文檔編號(hào)G01C21/18GK101793523SQ20101012151公開日2010年8月4日申請(qǐng)日期2010年3月10日優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日發(fā)明者孟慶季,徐燁烽申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)