阅读说明：本技术 一种船用罗经及其动态校准方法 (Marine compass and dynamic calibration method thereof ) 是由 费宇明 洪桂杰 张又文 车双良 黄腾超 于 2020-08-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种船用罗经及其动态校准方法,属于海上运载体航向、姿态测量领域。本发明的船用罗经包括：一个光纤陀螺、两个单轴倾角传感器、两个电子水泡。光纤陀螺实时测量航向角；单轴倾角传感器实时测量俯仰角、横滚角；电子水泡检测运载体是否位于水平位置,并通过获取运载体位于水平位置处,倾角传感器产生的角度测量误差,进行校准补偿。本发明的船用罗经可为运载体提供航向、姿态信息,并采用电子水泡对倾角测量数据进行校准,提高了倾角传感器姿态测量精确度,具有造价低、体积小、动态测角精度高的优势。(The invention discloses a ship compass and a dynamic calibration method thereof, and belongs to the field of measurement of course and attitude of an offshore carrier. The compass for ship of the present invention comprises: the device comprises a fiber optic gyroscope, two single-axis tilt angle sensors and two electronic bubbles. Measuring a course angle in real time by using the fiber-optic gyroscope; the single-shaft tilt angle sensor measures a pitch angle and a roll angle in real time; the electronic bubble detects whether the carrier is located at a horizontal position, and carries out calibration and compensation by acquiring an angle measurement error generated by an inclination angle sensor when the carrier is located at the horizontal position. The ship compass can provide course and attitude information for the carrier, and the electronic bubble is adopted to calibrate the inclination angle measurement data, so that the attitude measurement accuracy of the inclination angle sensor is improved, and the ship compass has the advantages of low manufacturing cost, small volume and high dynamic angle measurement accuracy.)

一种船用罗经及其动态校准方法

技术领域

本发明涉及海上运载体航向、姿态测量领域，尤其涉及海上运载体工作在动态环境中的一种船用罗经及其动态校准的方法。

背景技术

罗经是提供方向基准的仪器，用于确定航向和观测物标的方位，在海上运载体上应用广泛，罗经的精度直接影响运载体的航向和安全。

目前常见船用罗经基于捷联式惯导系统，采用三个光纤陀螺，通过不断测量运载体的角速度，进而得到一定得时间间隔内运载体的姿态变化角和航向变化角度。然而由于海上运载体始终处于动态环境，长期工作中光纤陀螺漂移已成为误差累积的主要因素，影响船用罗经航向、姿态信息的输出精度。且船用罗经采用三个光纤陀螺，加工、装配等要求很高，导致整体造价高昂，所以无法广泛应用于小型运载体。

如何降低船用罗经生产成本的同时消除累计误差，保证船用罗经航向、姿态信息的输出精度，是亟待解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术中船用罗经无法消除累计误差，且由于成本造价高，无法广泛应用于小型运载体的问题，本发明提供了一种船用罗经，通过采用两个单轴倾角传感器替代船用光纤陀螺罗经空间坐标系上X轴、Y轴的光纤陀螺提供航向、姿态信息，并采用电子水泡对其测量数据进行校准，以消除姿态测量中的累积误差，在满足精度要求的同时，具有造价低、体积小、动态测角精度高的优势。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种船用罗经，包括X轴倾角测量装置、Y轴倾角测量装置和Z轴光纤陀螺，所述的X轴和Y轴上还分别设置有一个电子水泡；

所述的X轴倾角测量装置、Y轴倾角测量装置和Z轴光纤陀螺的信号输出端通过接口电路分别输出横滚角、俯仰角和航向角信息，并且每当电子水泡处于水平位置时，由数据校准模块对X轴倾角测量装置、Y轴倾角测量装置进行一次自动校准。X轴倾角测量装置安装在船用罗经本体中指向运载体前行方向的轴上，Y轴倾角测量装置安装在垂直于运载体前行方向的轴上，且X轴和Y轴均朝向水平方向。

作为本发明的优选，所述的X轴倾角测量装置和Y轴倾角测量装置为单轴倾角传感器。X轴上的单轴倾角传感器安装在船用罗经本体中指向运载体前行方向的轴上，Y轴上的单轴倾角传感器安装在垂直于运载体前行方向的轴上，且X轴和Y轴均朝向水平方向。

作为本发明的优选，两个单轴倾角传感器集成为一个双轴倾角传感器。

作为本发明的优选，所述的X轴倾角测量装置和Y轴倾角测量装置采用MEMS陀螺。

作为本发明的优选，所述的电子水泡采用电阻式或者电感式。

本发明的另一目的在于提供一种上述船用罗经的动态校准方法，包括：

将所述的船用罗经安装在运载体上，其中Z轴朝向运载体的航行方向，位于Z轴上的光纤陀螺通过接口电路输出运载体的实时航向角信息；X轴和Y轴均朝向水平方向，分别用于测量运载体的横滚角信息和俯仰角信息；

船用罗经中的X轴倾角测量装置通过接口电路得到运载体的实时横滚角信息，然后通过数据校准模块对实时横滚角信息进行-Xθ_i°的角度补偿，得到校准后的横滚角信息并输出；补偿角度-Xθ_i°通过X轴向上的电子水泡进行更新，更新过程为：每当运载体在空间坐标系X轴上处于水平位置时，则位于X轴向上的电子水泡输出一次水平信号，由数据采集模块分别记录X轴采样点，记为Xλ₁、Xλ₂、Xλ₃，....，Xλ_m；每当数据采集模块采集到电子水泡输出水平位置信号Xλ_i时，通过数据校准模块对X轴倾角测量装置进行一次零位调整，更新X轴的补偿角度为-Xθ_i°；

船用罗经中的Y轴倾角测量装置通过接口电路得到运载体的实时俯仰角信息，然后通过数据校准模块对实时俯仰角信息进行-Yθ_i°的角度补偿，得到校准后的俯仰角信息并输出；补偿角度-Yθ_i°通过Y轴向上的电子水泡进行更新，更新过程为：每当运载体在空间坐标系Y轴上处于水平位置时，则位于Y轴向上的电子水泡输出一次水平信号，由数据采集模块分别记录Y轴采样点，记为Yλ₁、Yλ₂、Yλ₃，....，Yλ_n；每当数据采集模块采集到电子水泡输出水平位置信号Yλ_i时，通过数据校准模块对Y轴倾角测量装置进行一次零位调整，更新Y轴的补偿角度为-Yθ_i°。

作为本发明的优选，X、Y轴倾角测量装置的校准补偿同时进行。

与现有技术方案相比，本发明的有益效果：

1)因为本发明采用了两个单轴倾角传感器替代船用光纤陀螺罗经空间坐标系上X轴、Y轴的光纤陀螺来测量运载体的姿态信息，所以相比于现有技术手段，降低了成本造价。

2)因为本发明采用电子水泡对倾角传感器测量结果进行校准，每当X轴或Y中上的电子水泡处于水平位置时，则将当前时刻的X轴倾角传感器或Y轴倾角传感器的读数取反数作为补偿角度对实时测量的横滚角、俯仰角进行校准。由于海上运载体在工作过程中始终处于动态环境中，所以X轴和Y轴的补偿角度在不断的更新，且更新周期较短，可以自动消除传感器的累积误差，保证了运载体工作在动态环境中的测角精度。

附图说明

图1为本发明光纤陀螺、单轴倾角传感器、电子水泡的布置方式示意图；

图2为本发明运载体在空间坐标系X轴处于水平位置的采样周期示意图；

图3为本发明运载体在空间坐标系Y轴处于水平位置的采样周期示意图；

在所有附图中，相同的附图标记代表同样的技术特征，具体如下：1-光纤陀螺，2-航向角测量，3-X轴倾角传感器，4-X轴电子水泡，5-横滚角测量，6-Y轴倾角传感器，7-Y轴电子水泡，8-俯仰角测量，9-运载体处于空间坐标系X轴的水平位置处，10-运载体处于空间坐标系Y轴的水平位置处。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明所涉及的船用罗经主要包括光纤陀螺1，用来测量运载体的角速度，进而得到一定时间间隔内运载体的航向变化角度；单轴倾角传感器(X轴倾角传感器3和Y轴倾角传感器6)用于测量运载体相对于惯性空间加速度与重力加速度，进而得到一定时间间隔内运载体的航向姿态信息，包括横滚角信息和俯仰角信息；具体的，X轴倾角传感器安装在船用罗经本体中指向运载体前行方向的轴上，用于测量横滚角信息，Y轴倾角传感器安装在垂直于运载体前行方向的轴上，用于测量俯仰角信息，且X轴和Y轴均朝向水平方向。

电子水泡(X轴电子水泡4和Y轴电子水泡7)用于检测运载体在空间坐标系X轴、Y轴上是否处于水平位置，当任一轴处于水平位置时，电子水泡装置中的水泡处于平衡位置，可以输出平衡信号。

在本发明的一项具体实施中，两个单轴倾角传感器可使用一个双轴倾角传感器或两个MEMS陀螺代替，所述的电子水泡采用电阻式或者电感式。

本实施例提供的一种船用罗经，具体采用两个单轴倾角传感器替代船用光纤陀螺罗经空间坐标系上X轴、Y轴的光纤陀螺以提供航向姿态信息。但当运载体工作在动态环境中，仅采用两个单轴倾角传感器实时测量俯仰角、横滚角，其输出信号会受到运动过程中加速度等因素的影响，使得角度测量有效数据无法有效辨识，精度无法保证；为提高测量精度，本发明采用电子水泡判断当前运载体在空间坐标系X轴、Y轴的水平位置，每当运载体某一轴向处于水平位置处，修正该轴向倾角传感器角度误差，并在水平采样周期内给予角度补偿。

下面结合附图对本发明船用罗经及其校准方法进行说明。

如图1所示，本实施例中光纤陀螺1的数量为一个，设置在船用罗经的Z轴上，单轴倾角传感器和电子水泡均为两个，分别设置在船用罗经的X轴、Y轴上，且X轴和Y轴均设有一个所述倾角传感器和电子水泡，该配置方式可以敏感Z轴上的角速度信号，以及X轴、Y轴、Z轴上的加速度信号。

工作时，所述空间坐标系Z轴上的光纤陀螺以及X、Y轴上电子水泡、单轴倾角传感器的测量信号进行持续输出。

如图2所示，每当运载体在空间坐标系X轴上处于水平位置处，X轴向上的电子水泡将会输出水平信号，分别记录水平采样点为Xλ₁、Xλ₂、Xλ₃....，当数据采集模块接收到电子水泡输出水平采样信号Xλ₁时，根据实时采集的数据得到，当前水平位置下空间坐标系X轴电子水泡测量角度为0°、倾角传感器测量角度为Xθ₁°，控制倾角传感器进行零位调整，并计算出此次修正角度为-Xθ₁°；在Xλ₁Xλ₂周期内，通过数据校准模块对X轴倾角传感器的实时倾角测量数据进行-Xθ₁°的角度补偿；而后当数据采集模块接收到电子水泡输出水平采样信号Xλ₂、Xλ₃....时同理。此处的Xλ_i表示X轴向上的电子水泡输出第i次水平信号时的采样点，对应X轴倾角传感器测量角度为Xθ_i°。

如图3所示，每当运载体在空间坐标系Y轴上处于水平位置处，Y轴向上的电子水泡将会输出水平信号，分别记录水平采样点为Yλ₁、Yλ₂、Yλ₃....,当数据采集模块接收到电子水泡输出水平采样信号Yλ₁时，根据实时采集的数据得到，当前水平位置下空间坐标系Y轴电子水泡测量角度为0°、倾角传感器测量角度为Yθ₁°；控制倾角传感器进行零位调整，并计算出此次修正角度为-Yθ₁°，在Yλ₁Yλ₂周期内，通过数据校准模块对Y轴倾角传感器的实时倾角测量数据进行-Yθ₁°的角度补偿；而后当数据采集模块接收到电子水泡输出水平采样信号Yλ₂、Yλ₃....时同理。此处的Yλ_i表示Y轴向上的电子水泡输出第i次水平信号时的采样点，对应Y轴倾角传感器测量角度为Yθ_i°。

单轴倾角传感器的工作原理为：内置有加速度传感器及接口电路，其中加速度传感器用于采集单轴方向的加速度信息，并将加速度信息转化为电压信号，再经接口电路处理后输出单轴的倾斜角度。

本实施例中，空间坐标系方位轴上的Z轴光纤陀螺正常工作，以测量运载体相对北向的方位、或在运载体上指示航向；因为本发明采用电子水泡对倾角传感器测量结果进行校准，每当X轴或Y中上的电子水泡处于水平位置时，则将当前时刻的X轴倾角传感器或Y轴倾角传感器的读数取反数作为补偿角度对实时测量的横滚角、俯仰角进行校准，X、Y轴倾角传感器的校准补偿同时进行。由于海上运载体在工作过程中始终处于动态环境中，所以X轴和Y轴的补偿角度在不断的更新，且更新周期较短，可以自动消除传感器的累积误差。完成上述误差角度周期补偿过程后，船用罗经就可以始终工作在动态环境下，实时输出航向角、俯仰角、横滚角，为运载体提供航向、姿态信息。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。