[發(fā)明專利]一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導航系統(tǒng)粗對準方法

有效

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• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN103591960A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧志紅;王博;付夢印;周元;劉彤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導航系統(tǒng)粗對準方法。

背景技術(shù)

捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的初始對準過程分為兩個階段：粗對準與精對準。粗對準的主要任務(wù)是估計姿態(tài)矩陣的近似值，為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)提供一個基本參考數(shù)學平臺；在精對準階段進一步通過狀態(tài)濾波等方法估計出姿態(tài)矩陣的誤差，從而得到更精確的數(shù)學平臺，在此基礎(chǔ)上進行導航解算。粗對準的精度會影響到精對準的收斂速度和精度，進而影響導航解算的精度，因此提高粗對準精度對慣性導航系統(tǒng)性能具有重要意義。

傳統(tǒng)的解析式粗對準根據(jù)陀螺儀和加速度計的輸出計算載體的姿態(tài)矩陣初值，但當載體受到震蕩等隨機干擾時，慣性器件輸出信噪比降低，對準精度下降。以往的研究利用基于凝固慣性坐標系的粗對準方法通過積分運算抑制載體振蕩干擾信號，但加速度計輸出中除了擾動誤差外還含有零偏誤差，隨積分積累仍會導致粗對準精度降低。而擾動誤差的補償又依賴于上述積分過程，所以捷聯(lián)慣導的凝固慣性系粗對準方法存在一定局限。

近年來基于慣性測量單元(IMU)旋轉(zhuǎn)的誤差補償技術(shù)在慣性導航領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)式慣導系統(tǒng)具有與平臺式慣導相似的環(huán)架，通過IMU旋轉(zhuǎn)抑制系統(tǒng)誤差積累；同時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)也給IMU提供了可控的角運動特性，可以輔助改善旋轉(zhuǎn)式慣導初始對準可觀測性。對于靜基座載體的粗對準，在傳統(tǒng)解析法粗對準的應(yīng)用中，通常使用多次測量求平均值的方法以提高精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導航系統(tǒng)粗對準方法，利用IMU旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性器件的零偏，再通過求平均值過程中隱含的積分運算補償零偏對精度的影響，該方法實現(xiàn)簡便，運算量低，適合工程應(yīng)用。

一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導航系統(tǒng)粗對準方法，包括以下步驟：

第一步：在粗對準過程中使旋轉(zhuǎn)式慣導系統(tǒng)的雙軸按預設(shè)的旋轉(zhuǎn)方案周期性地旋轉(zhuǎn)；

第二步：在IMU的每一采樣周期均采用解析法求出IMU的姿態(tài)矩陣估計值；

第三步：在每一采樣周期根據(jù)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)角位置傳感器輸出值求出載體坐標系和IMU坐標系之間的方向余弦矩陣；

第四步：根據(jù)IMU姿態(tài)矩陣估計值和載體坐標系與IMU坐標系之間的方向余弦矩陣求出當前采樣時刻載體姿態(tài)矩陣的估計值；

第五步：對粗對準過程各時刻求得的載體姿態(tài)矩陣估計值求平均值，得到載體姿態(tài)矩陣的最終估計值。

第一步中所述的旋轉(zhuǎn)方案選擇下述方案之一：

a.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；

b.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周改變轉(zhuǎn)向；

c.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向交替旋轉(zhuǎn)，每個軸旋轉(zhuǎn)一周則停止同時開始旋轉(zhuǎn)另一軸，如此循環(huán)往復；

d.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第一軸在反向旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第二軸反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復；

e.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周,然后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復；

其中方案a、c只有能在旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺含有導電滑環(huán)的情況下使用，而且當IMU存在標度因數(shù)誤差和安裝誤差的情況下因耦合產(chǎn)生新誤差則不能采用。

上述各方案中內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸分別以恒定角速率ω₁、ω₂旋轉(zhuǎn)，ω₁和ω₂的范圍為0.6°／s--60°／s。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明利用多次測量求平均值運算中隱含的等效積分過程將基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差抑制技術(shù)引入粗對準環(huán)節(jié)，以改善解析法粗對準的精度。對于靜基座載體的粗對準，在旋轉(zhuǎn)調(diào)制的過程中的每一采樣周期進行粗對準，再通過求平均值運算補償零偏對粗對準精度的影響。仿真實驗表明，在靜基座條件下旋轉(zhuǎn)式解析法粗對準相對于傳統(tǒng)方法可以顯著改善粗對準精度。

附圖說明

圖1為靜基座粗對準仿真實驗失準角示意圖。

具體實施方式

解析法粗對準所求姿態(tài)矩陣為導航坐標系(東北天地理坐標系)n與IMU坐標系p或載體坐標系b之間的方向余弦矩陣或其中p系與b系的坐標軸分別指向IMU或載體的右、前、上方向。具體方法是分別將兩個坐標系下的三個矢量(重力引起的比力矢量、地球自轉(zhuǎn)角速度矢量及二者叉積)組成的矩陣相乘，得到姿態(tài)矩陣。旋轉(zhuǎn)式慣導系統(tǒng)中，解析法粗對準的計算式如下：