[發明專利]一種基于慣性導航系統的在線自主標定方法

有效

• 申請號: 201110409988.3
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102564452A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 付夢印;鄧志紅;王博;汪順亭;周元
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/18
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;郭德忠

1.一種基于慣性導航系統的在線自主標定方法，其特征在于：該方法實現的具體步驟如下：

步驟一：慣性導航系統初始對準

對于雙軸旋轉調制式慣性導航系統，采用捷聯算法對其進行初始對準，得到三個軸的初始姿態角；采用角度傳感器與轉軸上的伺服電機構成的回路控制方位軸的旋轉，使北向陀螺的橫滾軸在水平面上的投影指向正北；再采用該回路控制橫滾軸旋轉，使東向陀螺的俯仰軸指向正東；

根據初始姿態角和回路控制的方位軸和橫滾軸旋轉的角度計算垂向陀螺的坐標與天向的夾角為θ；此時該夾角與載體的實際俯仰角相同，是橫滾軸與水平面的夾角；

步驟二：采用地球自轉角速度標定陀螺的常值漂移和刻度因數

地球自轉角速度北向分量為ω_iecosL，天向分量為ω_iesinL，其中ω_ie為地球自轉角速率，L為當地緯度；通過慣性導航系統的初始對準，將系統的俯仰軸x、橫滾軸y、方位軸z的位置記為位置1；

在系統三軸處于位置1的情況下，將系統繞方位軸旋轉180°，此時橫滾軸在水平面的投影指向正南，將該位置記為位置2；

回路穩定后，根據數據波動情況和噪聲水平連續采樣一段時間的數據，求取均值，得到：

δω_y1＝k_yω_ie?cosLcosθ+k_yω_ie?sinLsinθ+ε_y????(1)

δω_z1＝-k_zω_ie?cosLsinθ+k_zω_ie?sinLcosθ+ε_z???(2)

δω_y2＝-k_yω_ie?cosLcosθ-k_yω_ie?sinLsinθ+ε_y???(3)

其中，δω_y1、δω_z1、δω_y2分別為y軸陀螺在位置1時的輸出數據均值、z軸陀螺在位置1時的輸出數據均值和y軸陀螺在位置2時的輸出數據均值；

通過方程(1)和(3)，求得橫滾軸陀螺的常值漂移ε_y以及刻度因數k_y為：

ϵy=δωy1+δωy22]]>

ky=δωy1-δωy22ωie(cosLcosθ+sinLsinθ)]]>

在系統三軸處于位置1的情況下，將系統繞橫滾軸旋轉180°，此時方位軸與地向軸的夾角為θ，將該位置記為位置3；

回路穩定后，根據數據波動情況和噪聲水平連續采樣一段時間的數據，求取均值，得到：

δω_z3＝k_zω_ie?cosLsinθ-k_zω_ie?sinLcosθ+ε_z????(4)

其中，δω_z3表示z軸陀螺在位置3時的輸出數據均值；

通過方程(2)和(4)，求得方位軸陀螺的常值漂移ε_z以及刻度因數k_z為：

ϵz=δωz1+δωz32]]>

kz=δωz1-δωz32ωie(sinLsinθ-cosLcosθ)]]>

在系統三軸處于位置1的情況下，將系統繞方位軸旋轉90°，此時東向陀螺的俯仰軸在水平面上的投影指向正北，將該位置標記為位置4；

在系統三軸處于位置1的情況下，將系統繞方位軸旋轉270°，此時東向陀螺的俯仰軸在水平面上的投影指向正南，將該位置標記為位置5；

回路穩定后，根據數據波動情況和噪聲水平連續采樣一段時間的數據，求取均值，得到：

δω_x4＝k_xω_ie?cosLcosθ+k_xω_ie?sinLsinθ+ε_x????(5)

δω_x5＝-k_xω_ie?cosLcosθ-k_xω_ie?sinLsinθ+ε_x???(6)

通過方程(5)和(6)，求得俯仰軸陀螺的常值漂移ε_x和刻度因數k_x為：

ϵx=δωx4+δωx52]]>

kx=δωx4-δωx52ωie(cosLcosθ+sinLsinθ)]]>

從而求得系統俯仰軸、橫滾軸和方位軸陀螺的常值漂移和刻度因數，完成陀螺的常值漂移和刻度因數的標定；

步驟三：利用重力加速度標定加表的零偏和刻度因數

將慣性導航系統三軸旋轉到位置1′，所述位置1′中，方位軸與天向軸成θ角，橫滾軸與北向軸的夾角為θ，俯仰軸與東向軸重合；在該位置情況下，采集一段時間的方位軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_z1＝B_z+K_zgcosθ???(7)

其中，A_z1表示z軸加表在位置1′時的輸出數據均值；

在系統三軸處于位置1′的情況下，將系統繞橫滾軸旋轉90°，此時方位軸指向西，俯仰軸與天向軸的夾角為θ，將該位置記為位置2′；在該位置情況下，采集一段時間的俯仰軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_x2＝B_x+K_xgcosθ???(8)

其中，A_x2表示x軸加表在位置2′時的輸出數據均值；

在系統三軸處于位置2′的情況下，將系統繞橫滾軸旋轉90°，此時俯仰軸指向西，方位軸與地向軸的夾角為θ，將該位置記為位置3′；在該位置情況下，采集一段時間的方位軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_z3＝B_z-K_zgcosθ???(9)

其中，A_z3表示z軸加表在位置3′時的輸出數據均值；

在系統三軸處于位置3′的情況下，將系統繞橫滾軸旋轉90°，此時方位軸指向東，俯仰軸與地向軸的夾角為θ，將該位置記為位置4′；在該位置情況下，采集一段時間的俯仰軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_x4＝B_x-K_xgcosθ????(10)

其中，A_x4表示x軸加表在位置4′時的輸出數據均值；

聯立方程式(7)到(10)，求得俯仰軸加表的零偏B_x和刻度因數K_x以及方位軸加表的零偏B_z和刻度因數K_z為：

Bx=Ax2+Ax42]]>Bz=Az1+Az32]]>

Kx=Ax2-Ax42gcosθ]]>Kz=Az1-Az32gcosθ]]>

采用慣性導航系統方位軸的自由度將將慣性導航系統三軸旋轉到位置5′，所述位置5′中，方位軸與天向軸的夾角為θ，方位軸與南向軸成θ角，俯仰軸與東向軸重合；

在系統三軸處于位置5′的情況下，將系統繞俯仰軸旋轉90°，此時方位軸指向西，橫滾軸與天向軸的夾角為θ，將該位置記為位置6′；在該位置情況下，采集一段時間的橫滾軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_y6＝B_y+K_ygcosθ????(11)

其中，A_y6表示y軸加表在位置6′時的輸出數據均值；

在系統三軸處于位置6′的情況下，將系統繞俯仰軸旋轉180°，此時方位軸指向東，橫滾軸與地向軸之間的夾角為θ，將該位置記為位置7′；在該位置情況下，采集一段時間的橫滾軸加表的輸出，求取平均值，得到：

A_y7＝B_y-K_ygcosθ????(12)

其中，A_y7表示y軸加表在位置7′時的輸出數據均值；

根據方程(11)和(12)，求得到橫滾軸加表的零偏B_y和刻度因數K_y為：

By=Ay6+Ay72]]>

Ky=Ay6-Ay72gcosθ]]>

從而求得系統俯仰軸、橫滾軸和方位軸加表的零偏和刻度因數，完成加表的零偏和刻度因數的標定；

步驟四：通過步驟二中陀螺的常值漂移和刻度因數以及步驟三中加表的零偏和刻度因數的求取，從而實現了慣性導航系統的在線自主標定。