本發(fā)明涉及一種儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，尤其涉及一種適應(yīng)載體全姿態(tài)機(jī)動運(yùn)行的慣性平臺系統(tǒng)，可適用于要求全姿態(tài)的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等，屬于慣性測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在彈道導(dǎo)彈或戰(zhàn)斗機(jī)等要求大機(jī)動的載體上，高精度慣性平臺系統(tǒng)的陀螺儀目前采用液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀、三浮陀螺儀和動力調(diào)諧陀螺儀，平臺框架結(jié)構(gòu)為兩框架三軸形式或三框架四軸形式。

在中國宇航出版社《慣性器件》公開的平臺方案中，都采用3個單自由度積分陀螺儀方案或2個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀方案，這種方案的優(yōu)點是儀表配置簡單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但其缺點是不能滿足載體的全姿態(tài)運(yùn)動，比如，兩框架三軸平臺在內(nèi)框架角度工作于90°時或三框架四軸平臺的外框架角度工作于90°時，都會引起框架鎖定，從而引起臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動。

為避免框架鎖定的發(fā)生，目前的解決方案是限制載體的運(yùn)動軌跡，比如，彈道式導(dǎo)彈的軌跡為拋物線，其偏航角變化不大，因此，可使兩框架三軸平臺的內(nèi)框架角敏感載體的偏航角。

但是，這種限制載體軌跡的方案越來越不能滿足大機(jī)動、快速響應(yīng)的發(fā)展趨勢，為此，迫切需要研究慣性平臺不受載體運(yùn)動影響的全姿態(tài)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，該慣性平臺系統(tǒng)具有全姿態(tài)、大機(jī)動、高可靠、高精度的優(yōu)點，可以滿足載體的全姿態(tài)運(yùn)動的使用要求。

本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，其特征在于：所述陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和1個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀控制臺體的軸端電機(jī)，使臺體穩(wěn)定在慣性空間，所述1個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述臺體上還包括加速度計組合，所述加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計正交安裝構(gòu)成加速度計輸入軸坐標(biāo)系，第4個石英加速度計在所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系中斜置安裝；所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系與臺體坐標(biāo)系oxpypzp重合。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述第4個斜置安裝的石英加速度計的輸入軸與其他3個石英加速度計的輸入軸的夾角相同。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述夾角的余弦值的絕對值為

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀，其中1個陀螺儀的輸入軸與臺體坐標(biāo)系oxpypzp中的臺體軸zp平行，另外2個陀螺儀的輸入軸分別與臺體軸zp垂直且二者相互垂直，構(gòu)成陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸與臺體坐標(biāo)系oxpypzp中的臺體軸zp平行，2個輸入軸分別與其中2個單自由度積分陀螺儀的輸入軸平行。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀包含再平衡回路，所述兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀與再平衡回路共同作用測量出臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)的具體方法如下：

(1)給出四元數(shù)的初值λ、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，取且臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動時，取和由兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀測量得到；

其中：為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體zp軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體xp軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體yp軸的角速度；

(3)由如下姿態(tài)更新方程得到一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據(jù)所述一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3得到臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣具體如下：

(5)下一導(dǎo)航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數(shù)的初值，重新返回步驟(2)，依此循環(huán)，直至導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述臺體上的4個石英加速度計，當(dāng)其中任意一個石英加速度計出現(xiàn)故障時，其余3個石英加速度計配合實現(xiàn)臺體相對慣性空間的視加速度的測量。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)、本發(fā)明慣性平臺系統(tǒng)陀螺儀組合采用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和1個動力調(diào)諧陀螺儀(含再平衡回路)的混合工作方式，作為平臺伺服回路的臺體角運(yùn)動敏感元件以控制軸端電機(jī)，使臺體穩(wěn)定在慣性空間或提供已知的相對慣性空間運(yùn)動的姿態(tài)信息；本發(fā)明采用不同類型陀螺儀的混合式工作方式實現(xiàn)了對臺體角速率和角位置的測量，可滿足載體的全姿態(tài)運(yùn)動和高可靠性的使用要求；

(2)、本發(fā)明采用陀螺儀儀表冗余的方法，在單自由度積分陀螺儀工作失效時，可采用動力調(diào)諧陀螺儀作為敏感元件控制臺體，從而提高了慣性測量系統(tǒng)的可靠性；

(3)、本發(fā)明采用石英加速度計冗余方法，在原有三個加速度計的基礎(chǔ)上，增加一個斜置安裝的加速度計，當(dāng)其中任意1個加速度計出現(xiàn)故障時，其余3個石英加速度計重構(gòu)配合實現(xiàn)臺體相對慣性空間的視加速度的測量，該方法實現(xiàn)了石英加速度計故障診斷與容錯處理，提高了系統(tǒng)的可靠性水平，此外本發(fā)明還給出了斜置加速度計的最佳安裝方式，進(jìn)一步提高了平臺系統(tǒng)的性能和可靠性。

(4)、本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，可適用于要求全姿態(tài)的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為本發(fā)明各陀螺儀、加速度計取向示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

如圖1所示為本發(fā)明慣性平臺系統(tǒng)組成示意圖，本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和1個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀，該兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀含再平衡回路。如圖1所示，3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀分別為gx、gy和gz，兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀為gd。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀作為慣性平臺系統(tǒng)伺服回路的臺體角運(yùn)動敏感元件，控制臺體的軸端電機(jī)，在穩(wěn)定回路工作時使臺體穩(wěn)定在慣性空間，兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀測量臺體相對慣性空間運(yùn)動的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)，即臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀可以為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

如圖2所示為本發(fā)明各陀螺儀、加速度計取向示意圖，3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz，其中1個陀螺儀gz的輸入軸iz與臺體坐標(biāo)系oxpypzp中的臺體軸zp平行，另外2個陀螺儀gx、gy的輸入軸ix、iy分別與臺體軸zp垂直且二者相互垂直，構(gòu)成陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz的輸出軸分別為ox、oy和oz。臺體坐標(biāo)系oxpypzp中的ozp軸與臺體的旋轉(zhuǎn)軸重合。

1個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀gd的自轉(zhuǎn)軸與臺體坐標(biāo)系oxpypzp中的臺體軸zp平行，2個輸入軸分別與其中2個單自由度積分陀螺儀gx、gy的輸入軸ix、iy平行。兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀包含再平衡回路，兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀與再平衡回路共同作用測量出臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)，即給出臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣，具體方法如下：

(1)給出四元數(shù)的初值λ、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，取且而臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動時，取和由兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀測量得到；

其中：為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體zp軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體xp軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxpypzp中臺體yp軸的角速度。

(3)由如下姿態(tài)更新方程得到一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據(jù)所述一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3得到當(dāng)前導(dǎo)航時刻臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣具體方法如下：

(5)下一導(dǎo)航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數(shù)的初值，重新返回步驟(2)，即重復(fù)步驟(2)～(4)，得到又一組新的四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3，進(jìn)一步得到下一導(dǎo)航時刻臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣之后再返回步驟(2)，依此循環(huán)，直到導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束，得到導(dǎo)航任務(wù)過程中不同導(dǎo)航時刻臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。

若上述步驟(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，取且則循環(huán)計算過程中四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3始終為設(shè)定的初值，即所有導(dǎo)航時刻，四元數(shù)λ、ρ1、ρ2、ρ3為設(shè)定初值不變，臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣唯一確定。

臺體上還包括加速度計組合，加速度計組合用于測量臺體的加速度信息，本發(fā)明中加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計ax、ay和az正交安裝構(gòu)成加速度計輸入軸坐標(biāo)系，第4個石英加速度計ad在該加速度計輸入軸坐標(biāo)系中斜置安裝，如圖1所示。所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系與臺體坐標(biāo)系oxpypzp重合。斜置安裝的石英加速度計ad可實現(xiàn)監(jiān)測功能，當(dāng)正交安裝的加速度計存在故障時，及時判斷出故障現(xiàn)象并利用斜置安裝的石英加速度計ad代替故障加速度計輸出比力信息，保證載體導(dǎo)航信息的持續(xù)穩(wěn)定輸出。如圖2所示，3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸分別為ix、iy、iz，輸出軸分別為ox、oy、oz，擺軸分別為px、py、pz，石英加速度計ad的輸入軸、輸出軸和擺軸分別為ir、or、pr。

本發(fā)明中第4個斜置安裝的石英加速度計ad的輸入軸與其他3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸的夾角相同，優(yōu)選該夾角的余弦值的絕對值為

如圖1所示，為保持臺體相對慣性空間穩(wěn)定，需要利用3個單自由度積分陀螺儀的輸出信息以及各框架角度信息，并經(jīng)信號解耦后使系統(tǒng)由多變量交鏈耦合系統(tǒng)變?yōu)楠毩⒌膯屋斎胼敵龌芈罚怦詈蟮目刂破髯饔玫礁骺蚣茌S端的力矩電機(jī)。但在框架鎖定時，臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動，動力調(diào)諧陀螺儀敏感到轉(zhuǎn)動的角速度根據(jù)本發(fā)明專利就可求得臺體相對慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，進(jìn)一步由坐標(biāo)變換矩陣可求得三個姿態(tài)角。同時，4個石英加速度計測量的比力經(jīng)容錯與轉(zhuǎn)換后得到臺體坐標(biāo)系的三維正交的視加速度值，經(jīng)坐標(biāo)變換后可得導(dǎo)航系的速度和位置參數(shù)，用于導(dǎo)彈武器的制導(dǎo)。

本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，陀螺儀組合采用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀(液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀)和1個動力調(diào)諧陀螺儀(含再平衡回路)的混合工作方式，作為平臺伺服回路的臺體角運(yùn)動敏感元件以控制軸端電機(jī)，使臺體穩(wěn)定在慣性空間或提供已知的相對慣性空間運(yùn)動的姿態(tài)信息。

當(dāng)平臺3個單自由度積分陀螺儀正常工作使臺體穩(wěn)定在慣性空間時，本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)工作在慣性平臺導(dǎo)航方式，可以輸出高精度的載體導(dǎo)航信息，當(dāng)平臺環(huán)架失去自由度出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時，臺體無法穩(wěn)定在慣性空間，此時利用動力調(diào)諧陀螺儀敏感到的臺體角運(yùn)動信息進(jìn)行捷聯(lián)解算，從而保證載體導(dǎo)航信息的持續(xù)穩(wěn)定輸出。

以上所述，僅為本發(fā)明一個具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。