【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法及装置，属于惯性导航。
技术介绍
1、寻北技术用来确定运载体的指向轴相对于真北的方位，基于惯导系统的寻北技术本质是通过陀螺敏感地球自转角速度得到的，地球自转角速度大小为15°/h，要实现有效的寻北，陀螺要能感知地球自转角速率。光学陀螺包括激光陀螺和光纤陀螺，满足该精度要求，常被使用。
2、目前基于惯导系统的寻北方法主要采用基于惯性测量单元(inertialmeasurement unit,imu)的初始对准。初始对准为惯性导航系统提供初始姿态，imu通常由三轴加速度计和三轴陀螺组成。早期的初始对准采用解析对准方法，即根据三轴加速度计敏感重力加速度，以及三轴陀螺敏感地球自转，采用双矢量定姿方法得到载体相对于地球的姿态(包括北向和水平角)。如今，工程上常用的初始对准方法是惯性系对准方法，该方法最早由法国ixsea公司在2000年提出，在任意晃动的基座上，其产品octans均可在5min内完成对准，国内最早由秦永元等人将其应用在了船舶系泊状态下的粗对准。初始对准要求使用三轴高精度陀螺，三轴高精度陀螺主要为光学陀螺，由于其价格昂贵，多用于军用领域，在民用领域难以推广使用。
3、上述问题是在基于单轴高精度陀螺的陆用寻北过程中应当予以考虑并解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法及装置，解决现有技术中存在的保证实现较高的寻北精度的同时成本有待降低的问题。
2、
3、一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，包括以下步骤：
4、s1、在地面移动载体于第一位置静止时，单轴高精度陀螺的轴向垂直于载体坐标系的竖轴，进入寻北状态，根据单轴高精度陀螺的输出与双轴加速度计输出，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角；
5、s2、通过将两个第一可能方位角与导航系统得到的方位比较，或采用地面移动载体两位置法，确定当前位置的方位角。
6、进一步地，步骤s1中，单轴高精度陀螺的轴向沿载体坐标系的x轴方向、y轴方向或单轴高精度陀螺的轴向到载体坐标系的y轴的夹角为任意角β1。
7、进一步地，步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
8、s11、单轴高精度陀螺的轴向沿载体坐标系的x轴方向，设第一位置静止状态下假想的y轴和z轴光学陀螺的输出为和第一位置静止状态下假想的z轴加速度计输出记为满足下式：
9、
10、其中，分别为x轴加速度计输出、y轴加速度计输出且已经过归一化处理，为单轴高精度陀螺的输出且已经过归一化处理，α为重力矢量和地球自转矢量之间的夹角，满足α＝90°-l，其中，l为当地纬度值；
11、s12、已知z轴朝向，通过式(1)中(a)计算z轴加速度计输出；
12、s13、在求得z轴加速度计输出的情况下，通过求解式(1)中(b)和(c)，得到y轴光学陀螺输出和z轴光学陀螺输出的两组可能解；
13、s14、采用三轴姿态确定算法即triad算法或基于优化的姿态确定算法计算得到两个第一可能方位角。
14、进一步地，步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
15、已知z轴加速度计朝向，再根据静止情况下三轴加速度计的模为重力加速度大小，由此确定z轴加速度计输出；
16、根据三轴加速度计的输出确定地面移动载体横滚角和俯仰角，以地面移动载体方位角为待定系数，将地球自转矢量投影到载体坐标系；
17、根据单轴高精度陀螺的输出，确定地面移动载体的两个第一可能方位角。
18、进一步地，步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
19、s101、地面移动载体在第一位置静止设定时间，单轴高精度陀螺的轴向到载体坐标系的y轴的夹角为β1，将第一位置处单轴高精度陀螺输出记为将第一位置处x轴加速度计和y轴加速度计输出分别记为和已知z轴加速度计轴向朝向，再根据静止情况下三轴加速度计的模为重力加速度大小，由此确定z轴加速度计输出
20、s102、设由下式定义欧拉角：
21、
22、其中，表示s系到n系的姿态变换矩阵，s系表示传感器坐标系，n系表示导航坐标系；经校准后，传感器坐标系和载体坐标系一致；γ、θ和ψ分别指传感器坐标系相对于导航坐标系的横滚角、俯仰角和方位角，-π<γ≤π，0≤ψ<2π；rot(j,φ)表示原坐标系沿着该坐标系j轴根据右手定则转动φ所得坐标系到原坐标系的姿态变换矩阵，j表示x、y或z；记第一位置处的横滚角、俯仰角和方位角分别记为γ1、θ1和ψ1；
23、s103、重力加速度矢量在n系下的投影记为gn，满足gn＝[0 0 -g]t，其中，g表示重力加速度的大小，记第一位置处静止情况下理想三轴加速度计输出为记第一位置处n系到s系的坐标变换矩阵为满足：
24、
25、其中，
26、s104、由式(3)求得第一位置处的俯仰角θ1和横滚角γ1：其中，asin(·)为反正弦函数，atan2(·)是反正切函数atan(·)的一个变种，值域为(-π,π]；
27、s105、地球自转矢量在n系下的投影记为满足其中，l为当地纬度，记第一位置处静止情况下假想的理想三轴陀螺输出为沿假想的理想三轴陀螺坐标系的z轴根据右手定则旋转β1所得坐标系与s系重合，满足单轴高精度陀螺的轴向沿假想的理想三轴陀螺坐标系的y轴向，得到第一位置处单轴高精度陀螺的输出满足：
28、
29、其中，a1＝wie cos l sinθ1 sinγ1 sinβ1+wie cos l cosθ1 cosβ1，b1＝-wie cosl cosγ1sinβ1，c1＝-wie sin l cosθ1sinγ1sinβ1+wie cos l sinθ1 cosβ1，
30、由式(4)得到：
31、
32、其中，
33、s106、由式(5)可得方位角ψ1也有两个可能解作为两个第一可能方位角，且这两个可能解相加之和等于2π。
34、进一步地，步骤s2中，采用地面移动载体两位置法，具体为，
35、s21、在地面移动载体于第一位置处开始行驶，于第二位置处停止时，得到方位角变化值δψ；
36、s22、在地面移动载体于第二位置静止时，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第二可能方位角；
37、s23、将步骤s1得到的两个第一可能方位角与步骤s22得到的两个第二可能方位角相减得到4个可能的方位角变化值，通过与方位角变化值δψ比较，最接近的值为正解，由此确定地面移动载体在第一位置和第二位置的方位角，第二位置的方位角作本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S1中，单轴高精度陀螺的轴向沿载体坐标系的x轴方向、y轴方向或单轴高精度陀螺的轴向到载体坐标系的y轴的夹角为任意角β1。
3.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
4.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
5.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于，步骤S2中，采用地面移动载体两位置法，具体为，
7.如权利要求6所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤
8.如权利要求7所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S21中，得到方位角变化值Δψ为采用使用轴向竖直的单轴高精度陀螺、惯性测量单元或使用设于地面移动载体左轮和右轮的里程测量装置计算得到方位角变化值Δψ，具体为：
9.如权利要求6所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤S22中，在地面移动载体于第二位置静止时，采用同步骤S1的基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第二可能方位角。
10.如权利要求1-5任一项所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：单轴高精度陀螺采用激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺或超高性能MEMS陀螺，地面移动载体为车辆或地面移动机器人。
11.一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北装置，其特征在于：包括单轴高精度陀螺、双轴加速度计和控制单元，
12.如权利要求11所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北装置，其特征在于：还包括90°转位机构：包括转动件和固定件，固定件与地面移动载体固连，转动件用于相对于固定件进行90度旋转，使单轴光学陀螺轴向水平或轴向竖直。
13.如权利要求12所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北装置，其特征在于：控制单元控制90°转位机构，使装置进入方位角速度测量状态或进入寻北状态，具体为，控制90°转位机构，使单轴高精度陀螺的轴向平行于载体坐标系的竖轴，用于测量地面移动载体方位角速度；当有寻北需求时，监测地面移动载体是否静止；当地面移动载体静止时，控制90°转位机构，使单轴高精度陀螺的轴向垂直于载体坐标系的竖轴，采集设定时间的单轴高精度陀螺输出数据和双轴加速度计数据，采用权利要求1-10任一项所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，确定当前位置的方位角。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s1中，单轴高精度陀螺的轴向沿载体坐标系的x轴方向、y轴方向或单轴高精度陀螺的轴向到载体坐标系的y轴的夹角为任意角β1。
3.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
4.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
5.如权利要求1所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s1中，采用基于不完整双矢量观测的姿态确定算法获得两个第一可能方位角，具体为，
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于，步骤s2中，采用地面移动载体两位置法，具体为，
7.如权利要求6所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s21中，得到方位角变化值δψ为采用使用轴向竖直的单轴高精度陀螺、惯性测量单元或使用设于地面移动载体左轮和右轮的里程测量装置计算得到方位角变化值δψ。
8.如权利要求7所述的基于单轴高精度陀螺的陆用寻北方法，其特征在于：步骤s21中，得到方位角变化值δψ为采用使用轴向竖直的单轴高精度陀螺、惯性测量单元或使用设于地面移动载体左轮和...
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