FR2698691A1

FR2698691A1 - Inertial guidance system.

Info

Publication number: FR2698691A1
Application number: FR9314171A
Authority: FR
Inventors: Watson Norman Frederick
Original assignee: GEC Marconi Avionics Holdings Ltd
Current assignee: Leonardo UK Ltd
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 1994-06-03
Also published as: GB2272974A; GB9224847D0

Abstract

Un système de guidage inertiel possède trois accéléromètres (AX , AY , AZ ) permettant de mesurer l'accélération suivant trois axes mutuellement perpendiculaires (X, Y, Z). Un accéléromètre (AZ ) est placé au point de référence de l'unité, les deux autres accéléromètres étant placé de façon que leurs centres des oscillations soient coplanaires avec le premier accéléromètre, ce qui permet de réduire la complexité des calculs nécessaires à la compensation des erreurs dues à des effets de bras de levier. Les écarts du deuxième accéléromètre et du troisième accéléromètre par rapport au premier accéléromètre sont de préférence sensiblement égaux et suivant des axes appropriés, ce qui simplifie encore la compensation des erreurs.An inertial guidance system has three accelerometers (AX, AY, AZ) enabling acceleration to be measured along three mutually perpendicular axes (X, Y, Z). An accelerometer (AZ) is placed at the reference point of the unit, the other two accelerometers being placed so that their centers of oscillations are coplanar with the first accelerometer, which makes it possible to reduce the complexity of the calculations necessary for the compensation of errors due to leverage effects. The deviations of the second accelerometer and of the third accelerometer with respect to the first accelerometer are preferably substantially equal and along appropriate axes, which further simplifies error compensation.

Description

i La présente invention concerne un système de guidage inertielThe present invention relates to an inertial guidance system

incorporant des accéléromètres.incorporating accelerometers.

Des systèmes de guidage inertiel destinés à des véhicules tels que des aéronefs ont déjà été proposés, qui ont pour fonction de déterminer le mouvement d'un point de référence (nominalement fixe par rapport au véhicule) par rapport à un certain cadre de référence de navigation (par exemple des axes locaux orientés Inertial guidance systems intended for vehicles such as aircraft have already been proposed, which have the function of determining the movement of a reference point (nominally fixed relative to the vehicle) relative to a certain navigation reference frame (for example local axes oriented

vers le nord, l'est et le bas).north, east and down).

Les systèmes de guidage inertiels emploient toujours des "accéléro- Inertial guidance systems always employ "accelerators"

mètres" qui sont des capteurs pouvant mesurer l'accélération linéraire et ils peuvent employer des accéléromètres supplémentaires ou d'autres capteurs pour déterminer meters "which are sensors that can measure linear acceleration and they can use additional accelerometers or other sensors to determine

le mouvement angulaire, comme par exemple des gyroscopes. angular movement, such as gyroscopes.

Dans certains cas, on fait en sorte que, du point de vue matériel, les axes d'entrée des accéléromètres sont maintenus sensiblement suivant une orientation fixe (ou lentement variable) par rapport au cadre de référence de navigation choisi Dans de tels cas, les signaux de sortie des accéléromètres In certain cases, it is ensured that, from the hardware point of view, the input axes of the accelerometers are maintained substantially in a fixed (or slowly variable) orientation relative to the navigation reference frame chosen. In such cases, the accelerometer output signals

peuvent être interprétés directement pour donner le mouvement du véhicule. can be interpreted directly to give the movement of the vehicle.

Selon une autre possibilité, les axes des accéléromètres sont maintenus sensiblement alignés avec les axes du véhicule et ne restent donc généralement pas alignés de manière fixe par rapport au cadre de référence de navigation choisi du fait de rotations du véhicule Ces systèmes s'appellent des systèmes "rigides" According to another possibility, the axes of the accelerometers are kept substantially aligned with the axes of the vehicle and therefore generally do not remain fixedly aligned with respect to the navigation reference frame chosen due to the rotations of the vehicle. These systems are called systems. "rigid"

(c'est-à-dire sans plate-forme stabilisée). (i.e. without stabilized platform).

Dans les systèmes rigides, on calcule le mouvement du point de référence du véhicule par rapport au cadre de navigation à partir de la mesure du mouvement, suivant six degrés de liberté, d'un unique point de référence qui est fixe par rapport à l"'ensemble de capteurs inertiels" (noté ISA), qui désigne le bâti relativement rigide sur lequel les capteurs de mouvement sont montés Ce point sera ci-après appelé le point de référence ISA On obtient les données définissant le mouvement du point de référence ISA à partir de mesures faites par les accéléromètres et tout autre capteur de mouvement Il est souvent commode de In rigid systems, the movement of the reference point of the vehicle with respect to the navigation frame is calculated from the measurement of the movement, according to six degrees of freedom, of a single reference point which is fixed with respect to " 'set of inertial sensors' (denoted ISA), which designates the relatively rigid frame on which the motion sensors are mounted This point will hereinafter be called the ISA reference point We obtain the data defining the movement of the ISA reference point to from measurements made by accelerometers and any other motion sensor It is often convenient to

définir le point de référence du véhicule par le point de référence ISA. define the vehicle reference point by the ISA reference point.

Il est souvent commode d'utiliser un minimum de trois accéléromètres It is often convenient to use a minimum of three accelerometers

linéaires à un seul axe et de trois gyroscopes pour obtenir les six mesures néces- linear to a single axis and three gyroscopes to obtain the six necessary measurements

saires à la définition complète du mouvement du point de référence. to complete the definition of the movement of the reference point.

Toutefois, il n'est généralement pas possible, d'un point de vue matériel, de disposer un groupe de trois accéléromètres à un seul axe de façon que les points o les mesures sont effectivement réalisées par les trois accéléromètres (ces points étant ici appelés les centres des oscillations, ou CP) coïncident avec le However, it is generally not possible, from a material point of view, to have a group of three accelerometers with a single axis so that the points where the measurements are actually carried out by the three accelerometers (these points being here called the centers of the oscillations, or CP) coincide with the

point de référence ISA.ISA reference point.

Le fait que certains accélérateurs peuvent avoir leur CP écarté par rapport au point de référence signifie que le mouvement linéaire qu'ils détectent peut différer du mouvement linéaire vrai du point de référence En raison d'un effet de bras de levier, un mouvement purement angulaire autour du point de référence ISA peut faire qu'une accélération linéaire soit présente au CP de l'un (ou de plusieurs) des accéléromètres, ce qui conduit à l'obtention d'un signal de sortie ambigu Ces composantes supplémentaires sont parfois appelées des accélérations d"'effet de taille" Puisque la configuration matérielle des accéléromètres est connue et que le mouvement angulaire du point de référence ISA est détecté, il est possible de calculer ces effets de taille et d'introduire une compensation appropriée dans le signal de sortie des accéléromètres Lorsqu'on ne réussit pas à appliquer des compensations pour les effets de taille avec suffisamment de précision et avec une rapidité suffisante pour tenir compte du mouvement dynamique du point de référence ISA, ceci peut conduire, dans le temps, à des erreurs de guidage importantes. Toutefois, les calculs intervenant dans la compensation des effets de taille pour un groupe de trois accéléromètres peuvent se révéler importants, ainsi The fact that some accelerators may have their CP deviated from the reference point means that the linear movement they detect may differ from the true linear movement of the reference point Due to a lever effect, a purely angular movement around the ISA reference point can cause a linear acceleration to be present at the CP of one (or more) of the accelerometers, which leads to obtaining an ambiguous output signal These additional components are sometimes called "size effect" accelerations Since the hardware configuration of the accelerometers is known and the angular movement of the ISA reference point is detected, it is possible to calculate these size effects and introduce appropriate compensation into the output signal accelerometers When you cannot apply compensation for size effects with sufficient precision e t with sufficient speed to take account of the dynamic movement of the ISA reference point, this can lead, over time, to significant guidance errors. However, the calculations involved in compensating for the size effects for a group of three accelerometers can prove to be important, thus

que les erreurs de calcul de ces termes de compensation. that the calculation errors of these compensation terms.

L'invention vise à optimiser la configuration matérielle d'un ensemble de capteurs inertiels conçus pour des applications "rigides" et, par conséquent, à réduire le nombre des calculs qui sont nécessaires à la compensation des effets de taille. Selon l'invention, il est proposé un système de guidage inertiel, comprenant trois accéléromètres A, AY, Az qui sont conçus pour mesure l'accélération le long de trois axes mutuellement perpendiculaires X, Y et Z, caractérisé en ce que les accéléromètres sont disposés de façon que leurs centres des oscillations se trouvent dans un plan qui comporte deux desdits axes, X et Y, et en ce que le centre des oscillations de l'accéléromètre Ax n'est écarté du centre des oscillations de l'accéléromètre Az que suivant la direction de l'axe Y, tandis que le centre des oscillations de l'accéléromètre Ay n'est écarté du centre des oscillations de l'accéléromètre Az que sur la direction de l'axe X De préférence, on fait en The invention aims to optimize the hardware configuration of a set of inertial sensors designed for "rigid" applications and, therefore, to reduce the number of calculations which are necessary to compensate for size effects. According to the invention, an inertial guidance system is proposed, comprising three accelerometers A, AY, Az which are designed to measure the acceleration along three mutually perpendicular axes X, Y and Z, characterized in that the accelerometers are arranged so that their centers of oscillation are in a plane which comprises two of said axes, X and Y, and in that the center of the oscillations of the accelerometer Ax is not separated from the center of the oscillations of the accelerometer Az that along the direction of the Y axis, while the center of the oscillations of the accelerometer Ay is only moved away from the center of the oscillations of the accelerometer Az on the direction of the X axis.

sorte que les amplitudes des écarts entre Ax et Az et entre Ay et Az soient sensi- so that the amplitudes of the differences between Ax and Az and between Ay and Az are sensitive

blement égaux.definitely equal.

On préfère que le point de référence ISA soit disposé à l'intérieur des frontières matérielles de l'ensemble de capteurs inertiels, ou ISA De plus, on préfère que le centre des oscillations de l'accéléromètre Az coïncide avec le point It is preferred that the reference point ISA is placed within the material boundaries of the set of inertial sensors, or ISA In addition, it is preferred that the center of the oscillations of the accelerometer Az coincides with the point

de référence ISA.ISA reference.

De façon commode, le système comporte trois gyroscopes, mesurant Conveniently, the system has three gyroscopes, measuring

chacun la rotation par rapport à l'un, respectif, desdits trois axes. each rotation relative to one, respective, of said three axes.

Selon un mode de réalisation, l'accéléromètre A mesure l'accélération suivant un axe nominalement vertical, les accéléromètres A et Ay mesurent According to one embodiment, the accelerometer A measures the acceleration along a nominally vertical axis, the accelerometers A and Ay measure

l'accélération suivant des axes nominalement horizontaux. acceleration along nominally horizontal axes.

L'invention trouve une application particulière dans les unités de navigation du type "rigide" destinées à être utilisées dans des aéronefs et d'autres véhicules. The invention finds a particular application in navigation units of the "rigid" type intended for use in aircraft and other vehicles.

La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise The following description, intended to illustrate the invention, aims

à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une représentation simplifiée qui montre l'effet d'une to give a better understanding of its characteristics and advantages; it is based on the appended drawings, among which: FIG. 1 is a simplified representation which shows the effect of a

unique composante d'accélération linéaire se combinant avec une unique compo- single linear acceleration component combining with a single component

sante de mouvement angulaire sur un capteur dont le centre des oscillations (CP) est écarté par rapport à un point de référence; et la figure 2 est une représentation simplifiée d'une partie d'un système de guidage inertiel rigide Des parties ont été omises dans le but de permettre une health of angular movement on a sensor whose center of oscillation (CP) is moved away from a reference point; and FIG. 2 is a simplified representation of part of a rigid inertial guidance system Parts have been omitted in order to allow a

plus grande clarté.greater clarity.

Sur le dessin de la figure 1, il existe un point P autour duquel l'unité de guidage est sensiblement amenée à tourner, comme cela est représenté en relation avec un point Q, la rotation étant indiquée par une flèche c) La rotation existant au point Q qui est induite par l'accélération A est modifiée par la rotation du corps autour du point P Comme cela est bien connu, l'accélération linéaire au point Q, soit Aq, est, Aq = A + (r A)+(r A o)A) ( 1) o cw est le vecteur vitesse angulaire (par rapport aux axes d'inertie), est la vitesse de variation de w, r est l'écart entre P et Q, et In the drawing of Figure 1, there is a point P around which the guide unit is substantially rotated, as shown in relation to a point Q, the rotation being indicated by an arrow c) The rotation existing at point Q which is induced by acceleration A is modified by the rotation of the body around point P As is well known, the linear acceleration at point Q, that is Aq, is, Aq = A + (r A) + ( r A o) A) (1) o cw is the angular velocity vector (with respect to the axes of inertia), is the speed of variation of w, r is the difference between P and Q, and

A représente l'opération de multiplication vectorielle. A represents the vector multiplication operation.

L'erreur de mesure de A du fait de l'écart r est: E=Aq-A= (r A) + (r A C 0) A m ( 2) C'est ce que l'on appelle l'erreur d"'effet de taille", pour laquelle une The measurement error of A due to the difference r is: E = Aq-A = (r A) + (r AC 0) A m (2) This is what is called the error d "'size effect", for which a

compensation est nécessaire.compensation is required.

Dans un système employant trois accéléromètres à un seul axe, l'erreur générale introduite dans le signal de sortie de chaque accélérateur du fait de l'effet de taille peut être représentée mathématiquement comme suit: Ex = Rxx-(o)y 2 + C)Z 2) + Rxy (+ ()z + O)x O )y) Rxz (+ ()y Ox O)z) ( 3) Ey = Ryy (Oax 2 + O)z Z) + Ryx (+ do)z + (tx O)y) Ryz (+ 6)x C y )z) ( 4) Ez = Rzz (O)x 2 + O)y 2) + Rzx (+ ()y + ax C Oz) Rzy (+,)x C z- y) ( 5) o Ex est l'erreur d'effet de taille pour l'accéléromètre Ax, Ey est l'erreur d'effet de taille pour l'accél éromètre Ay, Ez est l'erreur d'effet de taille pour l'accéléromètre Az, Rxx est l'écart du centre des oscillations, ou CP, de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction X, Rxy est l'écart du CP de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction Y, Rxz est l'écart du CP de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction Z, Ryx est l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction X, Ryy est l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction Y, Ryzest l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction Z, Rzx est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction X, Rzy est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction Y, Rzz est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction Z, oe) est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe X, o)y est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe Y, oe, est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe Z, On aura compris que les calculs nécessaires pour effectuer cette compensation générale sont importants, car elles font intervenir au moins multiplications différentes et 15 additions ou soustractions différentes De plus, il est souvent approprié d'estimer les termes d'accélération angulaire en faisant la différence des mesures successives de la vitesse angulaire Trois semblables termes sont en général nécessaires L'invention vise à réduire la complexité de la In a system using three single-axis accelerometers, the general error introduced into the output signal of each accelerator due to the size effect can be represented mathematically as follows: Ex = Rxx- (o) y 2 + C ) Z 2) + Rxy (+ () z + O) x O) y) Rxz (+ () y Ox O) z) (3) Ey = Ryy (Oax 2 + O) z Z) + Ryx (+ do ) z + (tx O) y) Ryz (+ 6) x C y) z) (4) Ez = Rzz (O) x 2 + O) y 2) + Rzx (+ () y + ax C Oz) Rzy (+,) x C z- y) (5) o Ex is the size effect error for the Ax accelerometer, Ey is the size effect error for the Ay accelerometer, Ez is l size effect error for the accelerometer Az, Rxx is the deviation of the center of the oscillations, or CP, of the accelerometer Ax from the reference point in the direction X, Rxy is the deviation of the CP from the accelerometer Ax with respect to the reference point in the direction Y, Rxz is the deviation of the CP of the accelerometer Ax with respect to the reference point in the direction Z, Ryx is the deviation of the CP of the accelerometer Ay from the reference point in the X direction, Ryy is the deviation of the CP of the accelerometer Ay from the reference point in the Y direction, Ryz is the deviation of the CP of the accelerometer Ay with respect to the reference point in the direction Z, Rzx is the deviation of the CP of the accelerometer Az from the reference point in the direction X, Rzy is the deviation of the CP of the accelerometer Az with respect to the reference point in the direction Y, Rzz is the deviation of the CP of the accelerometer Az with respect to the reference point in the direction Z, oe) is the angular velocity component of the ISA with respect at the X axis, o) y is the angular velocity component of the ISA with respect to the Y axis, oe, is the angular velocity component of the ISA with respect to the Z axis, We will have understood that the calculations necessary to carry out this general compensation are important, because they involve nir at least different multiplications and 15 different additions or subtractions In addition, it is often appropriate to estimate the terms of angular acceleration by making the difference between successive angular velocity measurements Three similar terms are generally necessary The invention aims to reduce the complexity of the

correction des erreurs.error correction.

L'unité représentée sur la figure 2 comprend un boîtier 1, qui est représenté partiellement découpé Le boîtier 1 est fixé au plancher 2 d'un aéronef par l'intermédiaire d'éléments de montage anti-vibration 3 L'aéronef possède six degrés de liberté de mouvement, à savoir la translation et la rotation par rapport à The unit shown in Figure 2 comprises a housing 1, which is shown partially cut out The housing 1 is fixed to the floor 2 of an aircraft by means of anti-vibration mounting elements 3 The aircraft has six degrees of freedom of movement, namely translation and rotation relative to

chacun des trois axes X, Y et Z Dans le contexte de cette description, l'axe X est each of the three axes X, Y and Z In the context of this description, the X axis is

pris comme axe horizontal longitudinal, ou axe de "roulis", l'axe X est l'axe horizontal latéral, ou axe de "tangage", et l'axe Z est l'axe vertical, ou axe de "lacet" Pour contrôler les mouvements par rapport à chaque axe, l'unité comporte trois gyroscopes (non représentés) qui contrôlent la rotation par rapport aux axes et taken as the longitudinal horizontal axis, or "roll" axis, the X axis is the lateral horizontal axis, or "pitch" axis, and the Z axis is the vertical axis, or "yaw" axis To control movements relative to each axis, the unit has three gyroscopes (not shown) which control rotation relative to the axes and

trois accéléromètres Ax, Ay et A servant à mesurer la translation suivant les axes. three accelerometers Ax, Ay and A used to measure the translation along the axes.

Chaque accéléromètre possède un centre des oscillations, désigné par P sur la figure, qui est le point important à considérer lorsqu'on décide du positionnement Each accelerometer has a center of oscillations, designated by P in the figure, which is the important point to consider when deciding on positioning.

des accéléromètres.accelerometers.

Pour réduire la compensation nécessaire, on place un accéléromètre, dans ce cas l'accéléromètre Az de façon que son centre des oscillations P coïncide avec le point de référence D de l'unité Ainsi, aucune compensation n'est nécessaire pour cet accéléromètre, à savoir l'accéléromètre vertical Pour que l'effet associé à l'axe Z puisse être supprimé dans les accéléromètres horizontaux Ax et Ay, on dispose ceux- ci de façon qu'ils soient coplanaires avec Az dans le plan X et Y. Une telle disposition n'impose alors de compensation que suivant les axes X et Y, et cette compensation est en outre simplifiée si l'on fait en sorte que chacun des accéléromètres Ax et Ay soient écartés de Az d'une même quantité, à savoir r De To reduce the necessary compensation, an accelerometer is placed, in this case the accelerometer Az so that its center of oscillations P coincides with the reference point D of the unit Thus, no compensation is necessary for this accelerometer, at know the vertical accelerometer So that the effect associated with the Z axis can be removed in the horizontal accelerometers Ax and Ay, we arrange these so that they are coplanar with Az in the X and Y plane. provision then only imposes compensation along the axes X and Y, and this compensation is further simplified if one makes sure that each of the accelerometers Ax and Ay are separated from Az by the same quantity, namely r De

ce fait, la compensation nécessaire dans chaque cas est très semblable. therefore, the compensation required in each case is very similar.

On peut montrer cela mathématiquement en effectuant les substitutions suivantes Dans l'équation ( 5), on porte Rzx = Rzy = Rzz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ez: Ez = 0 ( 6) Dans l'équation ( 4), on porte Ryx = r; Ryy = Ryz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ey: Ey= -r dz + r o)x oy ( 7) Enfin, dans l'équation ( 3), on porte Rxy = r; Rxx = Rxz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ex Ex = r oz + r- x y ( 8) Ainsi, les calculs nécessaires à la compensation ont été ramenés à We can show this mathematically by making the following substitutions In equation (5), we carry Rzx = Rzy = Rzz = 0, which gives for the error Ez: Ez = 0 (6) In equation (4) , we carry Ryx = r; Ryy = Ryz = 0, which gives for the error Ey: Ey = -r dz + r o) x oy (7) Finally, in equation (3), we carry Rxy = r; Rxx = Rxz = 0, which gives for the error Ex Ex = r oz + r- x y (8) Thus, the calculations necessary for the compensation have been reduced to

3 multiplications différentes (r o z, r cox et (r ox) oy) et 2 additions (ou soustrac- 3 different multiplications (r o z, r cox and (r ox) oy) and 2 additions (or subtrac-

tions).tions).

Dans ce cas, un seul terme d'accélération angulaire bz est nécessaire. In this case, only one angular acceleration term bz is necessary.

On aura compris que, alors que la disposition préférée élimine la compensation relative à l'axe Z, toute disposition plaçant tous les accéléromètres dans un plan contenant deux axes simplifiera la compensation, puisque deux cas It will be understood that, while the preferred arrangement eliminates the compensation relating to the Z axis, any arrangement placing all the accelerometers in a plane containing two axes will simplify the compensation, since two cases

seulement doivent leur être considérés. only should be considered to them.

Les gyroscopes contenus dans l'unité ne demandent aucune compensa- The gyroscopes contained in the unit do not require any compensation.

tion, car ils ne rencontrent pas d'effets de bras de levier. tion because they do not experience leverage.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du Of course, those skilled in the art will be able to imagine, from the

système dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et system whose description has just been given by way of illustration only and

nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. in no way limiting, various variants and modifications not departing from the scope of the invention.

Claims

1 Inertial guidance system, comprising three accelerometers (Ax, Ay, Az) which are intended to measure the acceleration along three mutually perpendicular axes (X, Y, Z), characterized in that the accelerometers are arranged so that their centers oscillations are in a plane which contains two of said axes, and in that a first accelerometer is moved away from a second accelerometer along the direction of the first of said two axes, while a third accelerometer is moved away from the first accelerometer along direction of

second of said two axes.

2 System according to claim 1, characterized in that the differences between the first and the second accelerometer and between the first and the third

accelerometers are designed to be substantially equal.

3 System according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a reference point with respect to which the movement is measured, this

point within the physical boundaries of the system.

4 System according to claim 3, characterized in that the center of

oscillations of the first accelerometer coincides with the reference point.

System according to any one of claims 1 to 4, characterized

in that it also has three gyroscopes, each of which measures the rotation

with respect to one, different, of said three axes.

6 System according to any one of claims 1 to 5, characterized

in that the first accelerometer measures the acceleration along a nominal axis-

vertical, the second and third accelerometers measuring the acceleration

along nominally horizontal axes.

7 Rigid type navigation system, characterized in that it

comprises an inertial guidance system according to any one of the claims

1 to 6.

8 aircraft navigation system, characterized in that it comprises a

system as described in any one of claims 1 to 7.