一种机载雷达天线运动参数的解算方法及测姿系统与流程

1.本发明属于机载雷达天线运动技术领域，具体涉及一种机载雷达天线运动参数的解算方法及测姿系统。


背景技术：

2.机载雷达天线的运动姿态解算，主要是对天线的实时方位轴运动参数和俯仰轴运动参数进行检测，即天线运动的方位轴角位置及角速率、俯仰轴角位置及角速率。传统的测量天线姿态运动方法有两类：一类是在进行计算天线的运动姿态参数的过程中得到天线的角位置参数，而角速率采用角位置的采样时间差分获得。获取该角位置和采样时间的方式有常见的两种方式：人工操作获取和计算机图形处理获取。依靠人工操作获取受限于测量操作人员的反应时间与操作时间；而依靠计算机图形处理获取受限于计算机图形采集对小角度旋转体不敏感，两者的测量结果的可靠性与精确性不足以准确的作为评价机载雷达天线的运动姿态性能参数的标准。另一类姿态角的测量方法，主要是采用陀螺仪检测角速率，角位置利用角速率积分获得，这对器件精度和工作时间要求严苛，并且通常高精度的陀螺仪体积和质量较大，因此应用受限。
3.因此，需要提供一种能保证精度的天线运动姿态解算方法及测姿系统。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提出了一种利用加速度计和陀螺仪相结合的惯性测量技术，对机载雷达天线的运动姿态参数测量是一种新型的测量方法，大大提高了测量精度，同时也减少了操作的复杂步骤，自动化程度高，体积小。
5.本发明的目的在于，提供一种机载雷达天线运动参数的解算方法，所述方法包括如下步骤：
6.s1：在机载雷达平板天线座上安装俯仰角加速度计、大方位角加速度计、小方位角加速度计、方位陀螺仪以及俯仰陀螺仪；
7.s2：根据俯仰角加速度计、大方位角加速度计和小方位角加速度计测量的数据进行解算，得到初始姿态角；
8.s3：利用方位陀螺仪和俯仰陀螺仪分别获取运动过程中的方位轴和俯仰轴旋转角速度；
9.s4：通过s3获取的旋转角速度计算向心加速度补偿量；
10.s5：通过向心加速度补偿量对初始姿态角进行误差补偿，获得机载雷达天线的运动姿态角。
11.本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法，还具有这样的特征，所述俯仰角加速度计和俯仰陀螺仪安装在天线运动过程中的俯仰轴上；所述大方位角加速度计、小方位角加速度计和方位陀螺仪均安装在天线运动过程中的方位轴上；所述大方位角加速度计指用于测量大角度范围的加速度计，所述大角度范围为|45
°
|～|90
°
|；所述小方位角
加速度计指用于测量小角度范围的加速度计，所述小角度范围为-45
°
～45
°
。
12.本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法，还具有这样的特征，所述s2中，初始姿态角信息包括俯仰角信息和方位角信息，在方位角处于-45
°
～45
°
时，方位角信息从小方位角加速度计获取；在方位角处于|45
°
|～|90
°
|时，方位角信息从大方位角加速度计获取。
13.本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法，还具有这样的特征，在方位角处于-45
°
～45
°
时，姿态角的结算方法如下：
14.计算加速度计敏感重力矢量在载体坐标系的投影[a
x a
y az]
t
，
[0015][0016]
其中，姿态转换矩阵，
[0017]
[0 g 0]
t
为重力场矢量，，为失准角矩阵，
[0018]
ψ0为俯仰角初始值设为0，γ0为滚转角默认为0，θ0为方位角初始值设为0，
[0019]
则该初始姿态角为：
[0020][0021]
其中，ψ为俯仰角，θ为方位角。
[0022]
本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法，还具有这样的特征，在方位角处于|45
°
|～|90
°
|时，姿态角的结算方法如下：
[0023]
计算加速度计敏感重力矢量在载体坐标系的投影[a
x a
y az]
t
[0024][0025]
其中，为姿态转换矩阵，[-g 0 0]
t
为重力场
矢量，为失准角矩阵，ψ0为俯仰角初始值设为0，γ0为滚转角默认为0，θ0为方位角初始值设为0，
[0026]
则该初始姿态角为：
[0027][0028]
本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法，还具有这样的特征，所述s4包括步骤如下：
[0029]
俯仰旋转带来的方位加速度计的离心加速度其中r
θ
为加速度计安装位置与俯仰旋转轴的中心距；
[0030]
方位旋转带来的方位加速度计的离心加速度其中r
ψx2
为加速度计安装位置与方位旋转轴的中心距；
[0031]
天线旋转在y轴产生的加速度补偿量为天线旋转在y轴产生的加速度补偿量为在z轴产生的加速度补偿量为在z轴产生的加速度补偿量为天线旋转在x轴产生的加速度分量对加速度计无影响；
[0032]
同理计算俯仰加速度计的在不同y、z坐标轴上的加速度补偿量对加速度计敏感量[a
x a
y az]
t
进行补偿，计算获得天线俯仰、方位运动的角位置。
[0033]
本发明的另一目的在于，提供一种基于上述任一项所述的运动参数解算方法的机载雷达天线运动测姿系统，所述测姿系统包括：
[0034]
俯仰角加速度计，安装在天线运动过程中的俯仰轴上；
[0035]
大方位角加速度计，安装在天线运动过程中的方位轴上；
[0036]
小方位角加速度计，安装在天线运动过程中的方位轴上；
[0037]
俯仰陀螺仪；安装在天线运动过程中的俯仰轴上；以及
[0038]
方位陀螺仪，安装在天线运动过程中的方位轴上，
[0039]
其中，所述大方位角加速度计用于测量大角度范围的方位角加速度，所述大角度范围为|45
°
|～|90
°
|；所述小方位角加速度计用于测量小角度范围的方位角加速度，所述小角度范围为-45
°
～45
°
。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0041]
本发明所提供的机载雷达天线运动参数的解算方法利用加速度计和陀螺仪相结合的惯性测量技术来测量机载雷达天线的运动姿态的方法，能够高精度的测量天线大角度二自由度动态运动参数。测量的数据可为综合评定和改善机载雷达天线运动提供可靠的数据模型。
[0042]
本发明所提供的机载雷达天线运动测姿系统该发明体积小，测量方便、精确、可靠。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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。
[0044]
图1：本发明实施例所提供的解算方法的流程图；
[0045]
图2：本发明实施例所提供的解算方法中的姿态角的二自由度去耦解算原理图；
[0046]
图3：本发明实施例所提供的解算方法中的动态应用下的干扰加速度示意图；
[0047]
图4：本发明实施例所提供的测姿系统的工作示意图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的解算方法作具体阐述。
[0049]
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
[0050]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0051]
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0052]
如图1-3所示，一种机载雷达天线运动参数的解算方法，所述方法包括如下步骤：
[0053]
s1：在机载雷达平板天线座上安装俯仰角加速度计、大方位角加速度计、小方位角加速度计、方位陀螺仪以及俯仰陀螺仪；
[0054]
s2：根据俯仰角加速度计、大方位角加速度计和小方位角加速度计测量的数据进行解算，得到初始姿态角；
[0055]
s3：利用方位陀螺仪和俯仰陀螺仪分别获取运动过程中的方位轴和俯仰轴旋转角速度；
[0056]
s4：通过s3获取的旋转角速度计算向心加速度补偿量；
[0057]
s5：通过向心加速度补偿量对初始姿态角进行误差补偿，获得机载雷达天线的运动姿态角。利用通过陀螺仪检测的俯仰角速率和方位角速率得到切法向干扰加速度，将其在姿态角解算模型中进行误差补偿。
[0058]
在部分实施例中，所述俯仰角加速度计和俯仰陀螺仪安装在天线运动过程中的俯仰轴上；所述大方位角加速度计、小方位角加速度计和方位陀螺仪均安装在天线运动过程中的方位轴上；所述大方位角加速度计指用于测量大角度范围的加速度计，所述大角度范
围为|45
°
|～|90
°
|；所述小方位角加速度计指用于测量小角度范围的加速度计，所述小角度范围为-45
°
～45
°
。
[0059]
在部分实施例中，所述s2中，初始姿态角信息包括俯仰角信息和方位角信息，在方位角处于-45
°
～45
°
时，方位角信息从小方位角加速度计获取；在方位角处于-45
°
～-90
°
或45
°
～90
°
时，方位角信息从大方位角加速度计获取。
[0060]
在部分实施例中，在方位角处于-45
°
～45
°
时，姿态角的结算方法如下：
[0061]
计算加速度计敏感重力矢量在载体坐标系的投影[a
x a
y az]
t
，
[0062][0063]
其中，为姿态转换矩阵，[0 g 0]
t
为重力场矢量，为失准角矩阵，ψ0为俯仰角初始值设为0，γ0为滚转角默认为0，θ0为方位角初始值设为0，
[0064]
则该初始姿态角为：
[0065][0066]
其中，ψ为俯仰角，θ为方位角。
[0067]
在部分实施例中，在方位角处于|45
°
|～|90
°
|时，姿态角的结算方法如下：
[0068]
计算加速度计敏感重力矢量在载体坐标系的投影
[0069]
[a
x a
y az]
t
[0070][0071]
其中，为姿态转换矩阵，[-g 0 0]
t
为重力场
矢量，为失准角矩阵，ψ0为俯仰角初始值设为0，γ0为滚转角默认为0，θ0为方位角初始值设为0，
[0072]
则该初始姿态角为：
[0073][0074]
在部分实施例中，所述s4包括步骤如下：
[0075]
俯仰旋转带来的方位加速度计的离心加速度其中r
θ
为加速度计安装位置与俯仰旋转轴的中心距；
[0076]
方位旋转带来的方位加速度计的离心加速度其中r
ψx2
为加速度计安装位置与方位旋转轴的中心距；
[0077]
天线旋转在y轴产生的加速度补偿量为天线旋转在y轴产生的加速度补偿量为在z轴产生的加速度补偿量为在z轴产生的加速度补偿量为天线旋转在x轴产生的加速度分量对加速度计无影响；
[0078]
同理计算俯仰加速度计的在不同y、z坐标轴上的加速度补偿量对加速度计敏感量[a
x a
y az]
t
进行补偿，计算获得天线俯仰、方位运动的角位置。
[0079]
在上述实施例中，动态误差是由于旋转运动引起切向、法向加速度，该干扰加速度会作用在加速度计敏感质量上，产生干扰输出。由于天线是二自由度运动，所以俯仰与方位运动会相互耦合，即每个敏感方向的动态误差需考虑自身旋转和另一个方向定轴旋转的影响。图3表示了天线方位旋转、俯仰旋转对加速度计2产生的动态误差，因此需要进行补偿。
[0080]
在部分实施例中，如图4所示，提供一种基于上述任一项实施例所述的运动参数解算方法的机载雷达天线运动测姿系统，所述测姿系统包括：
[0081]
俯仰角加速度计，安装在天线运动过程中的俯仰轴上；
[0082]
大方位角加速度计，安装在天线运动过程中的方位轴上；
[0083]
小方位角加速度计，安装在天线运动过程中的方位轴上；
[0084]
俯仰陀螺仪；安装在天线运动过程中的俯仰轴上；以及
[0085]
方位陀螺仪，安装在天线运动过程中的方位轴上，
[0086]
其中，所述大方位角加速度计用于测量大角度范围的方位角加速度，所述大角度范围为|45
°
|～|90
°
|；所述小方位角加速度计用于测量小角度范围的方位角加速度，所述小角度范围为-45
°
～45
°
。
[0087]
综上，本发明采用加速度计和陀螺仪相结合的方法测量机载雷达天线的运动参数。对于地面运动机构的倾角测量(包括俯仰角、滚转角即天线方位角)，可以使用加速度计，即利用加速度计敏感重力矢量在载体坐标系的三轴投影，从而确定运动模型所在的载体坐标系相对于惯性坐标系的角度关系。机载雷达天线运动采用加速度计测量方位轴和俯仰轴倾角位置，可以在静态工况中获得较高的精度(不大于0.005
°
)，同时利用陀螺仪解决
二自由度大角度测姿中的动态误差抑制问题，可实现复杂力学状态下(动态、二自由度、大角度范围)的高精度姿态测量。
[0088]
由于重力矢量在载体坐标系的投影仅与姿态角相关，该投影量可以被加速度计以较高精度检测出来，系统动态误差补偿仅需陀螺仪检测的角速率值，系统无积分环节。因此该倾角测量系统不存在误差累积效应，降低了对陀螺仪的要求(即可以选用mems陀螺仪实现小型化)，同时又能保证测姿精度。
[0089]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。