基于双轴加计与三轴加计的捷联航姿性能研究

刘世鹏 范超 杨宏智 尚永爽

摘要：为了比较基于双轴加计的捷联航姿与基于三轴加计的捷联航姿航向姿态精度，设计了基于双轴加计的航姿解算方法，利用捷联航姿系统采集航姿数据，分别在静态和动态车载带一定干扰环境下，比较两种航姿的输出结果。试验结果表明：两型航姿对准精度、导航精度相当，误差值在0.05°以内，均能满足系统使用。

关键词：捷联航姿;双轴加计;三轴加计

0 引言

捷联航姿的基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪、加速度计等惯性元件感受载体在运动过程中的角速度和加速度，通过计算机进行航姿解算，从而得到载体的航向、姿态等参数。

捷联航姿是将由角速率陀螺仪和加速度计等部件组成的，直接安装在运载体上。运动过程中，通过陀螺测定载体相对惯性坐标系的运动角速度，并由此计算载体坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵。通过该矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至导航坐标系，然后进行导航计算，导航计算得到的导航信息进行控制反馈，从而得到所需要的航向及姿态信息。由于捷联航姿的系统结构、硬件、算法及软件都已发展了多年，接近成熟和完善。目前，在捷联航姿的实现上，都采用传统的三轴陀螺、三轴加速度计组成的捷联系统进行解算航向、姿态信息，对于一些特殊的场景使用，Z轴加速度计的设计可以去除。掌握两轴加计航姿设计技术，在适合的场景中使用，可以降低航姿研制成本，具有一定的工程应用价值。本文就基于双轴加计设计一型航姿，并进行了试验研究。

1  原理设计

两轴加计捷联航姿中，捷联航姿采用光纤速率陀螺来感测飞机飞行过程中沿机体三个轴向上的运动角速率、采用两个挠性摆式加速度计来感测X轴和Y轴加速度信号，接收捷联磁传感器感测三个轴向上的地磁信号，经电子线路量化、修正后传输给导航解算板，进行磁航向、姿态的解算。将航向、姿态数据等数字信号向外发出。

2  结构件设计

箱体：提供惯性部件和各功能电路线路板安装，并包含有前后定位块、把手和电连接器。

箱体盖板：箱体盖板分为箱体上盖、箱体下盖和陀螺盖，提供箱体的密封功能。

惯性部件的安装：提供两轴加计的安装支架。两轴加计正交分别安装在箱体的前向、侧向方向上，使用螺钉固定。

功能电路的安装：提供各功能电路的安装腔。

3  电路设计

两轴加计捷联航姿功能电路设计有磁解调板、电源板、数模转换板及航姿解算板。

磁解调板：充分考虑电磁兼容性和电源适应性要求，磁解调板设计有直流28 V电源的电源滤波、瞬态抑制、欠压及断电保护及磁信号解调电路等;

电源板：直流电源板主要完成电源变换功能，通过DC/DC进行电源变换输出各功能模块工作所需的+5 V、-5 V 、±15 V直流电源，并设计电源故障检测电路;

航姿解算板：航姿解算板由A/D转换电路、输入输出数字接口和信号处理器组成，主要用于完成对载机飞行惯性信息的感测与接收、启动自检、初始对準、航姿解算、故障处理、数据存储等功能;

母线板：母线板是各功能电路板SRU之间连接的桥梁，通过设计5个功能电路接插件实现功能电路板的连接，设计了4个D型电连接器分别与三个光纤陀螺和两个加速度计连接。

4  软件设计原理

两轴加计捷联航姿使用三轴光纤陀螺、两轴加速度计作为惯性器件，陀螺输出的是载体相对惯性空间转动的角速率在机体系中的投影ωbib;加速度计测量的是机体相对惯性空间的加速度在机体系中的投影fbib，将两轴机体系加速度通过姿态矩阵转换到导航坐标系，天向加速度用重力G替换进行航姿解算。

捷联航姿使用两轴加速度计的方案是相对三轴去掉法向安装的加速度，只保留水平方向安装的加速度计（ax、ay）。利用有载体姿态时，水平安装的加速度计在法向的投影计算俯仰θ'和横滚γ'。

经物理意义和几何意义推导，两轴初始姿态计算：

原来机体法向加速度计的测量值由重力加速度随载体姿态变化的投影替代。

根据两轴加计横滚计算算法，横滚范围只能到I、IV象限，II、III象限无法覆盖，现采用陀螺角速率积分作为横滚象限判断解决姿态计算象限判断问题。使用两轴加速度计数据计算出的姿态数据作为内阻尼参数对捷联航姿进行内阻尼。

5  试验验证

将产品置于转台或具有航向基准的试验台上，进行多次重复对准试验，用于确定对准精度是否满足使用要求。其中在方位195°情况下对准航向姿态数据见表1。

将产品安装于试验车上进行跑车试验，车上装有惯导作为基准，跑车结束后，航向姿态误差见图1、图2、图3。

6  结论

双轴加计捷联航姿经过原理验证和系统级常温功能性能、摇摆、振动和跑车试验验证，原理正确，与三轴加计捷联航姿系统航向、姿态对比，精度相当。

双轴加计捷联航姿在很多应用场景中可以在工程上应用，可以有效降低实物成本，有一定的工程应用价值。

参考文献：

[1]秦永元.惯性导航[M].北京：科学出版社，2013.7

[2]严恭敏，翁浚.捷联惯导算法与组合导航原理[M].西安：西北工业大学出版社，2019.4