[發(fā)明專(zhuān)利]一種單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出補(bǔ)償方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510041161.X
• 申請(qǐng)日: 2015-01-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104596546B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李魁;高鵬宇;王瑋;王靈草;陳剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C25/00
• 分類(lèi)號(hào): G01C25/00;G01C21/16
• 代理公司: 北京科迪生專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出補(bǔ)償方法，屬于旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，適用于補(bǔ)償單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出精度，特別適合對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)短期姿態(tài)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

背景技術(shù)

慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)正交安裝的三軸陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載體相對(duì)于空間的角速度和加速度，并基于航位推算原理給出載體實(shí)時(shí)的位置、速度和姿態(tài)信息。在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺漂移和加計(jì)零偏是影響導(dǎo)航性能的關(guān)鍵因素，無(wú)論是平臺(tái)式慣導(dǎo)還是捷聯(lián)式慣導(dǎo)，都存在導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累積的問(wèn)題。

旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元)繞著某個(gè)坐標(biāo)系按照既定方案旋轉(zhuǎn)，使得慣性組件的常值誤差在該坐標(biāo)系內(nèi)的投影呈周期振蕩形式，而周期振蕩誤差在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)積分結(jié)果為零，因此慣性組件的常值誤差對(duì)導(dǎo)航結(jié)果的影響得到抑制，系統(tǒng)精度得到大幅提升。

單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)單一旋轉(zhuǎn)軸的正反旋轉(zhuǎn)可以抑制水平兩軸的陀螺漂移和加計(jì)零偏。目前的文獻(xiàn)中已有大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以將位置和速度精度提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是實(shí)際系統(tǒng)在使用中姿態(tài)輸出的精度可能并未提高，甚至?xí)兊酶睿墨I(xiàn)對(duì)這方面的研究不多見(jiàn)；而且對(duì)于旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)補(bǔ)償主要是基于對(duì)慣性器件與旋轉(zhuǎn)軸以及慣性器件之間的安裝偏角的標(biāo)定，對(duì)角度傳感器(例如碼盤(pán)或光柵等)的誤差和旋轉(zhuǎn)軸的不規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)的補(bǔ)償研究較少。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出補(bǔ)償方法，可以有效補(bǔ)償單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中姿態(tài)輸出中的波動(dòng)，大幅提高姿態(tài)精度。利用z陀螺積分的角度作為基準(zhǔn)修正碼盤(pán)輸出的轉(zhuǎn)角，給出了航向角的補(bǔ)償信息；利用x、y加速度計(jì)扣除初始俯仰角、橫滾角帶來(lái)的重力加速度投影后的剩余分量修正旋轉(zhuǎn)軸的不規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，給出了俯仰角和橫滾角的補(bǔ)償信息；結(jié)合這些補(bǔ)償信息和具體的補(bǔ)償算法從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出補(bǔ)償。

本發(fā)明的解決技術(shù)方案：一種單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出補(bǔ)償方法，步驟如下：

步驟(1)：在z陀螺輸出的角速度中扣除地球自轉(zhuǎn)角速度分量和陀螺漂移，經(jīng)積分后得到角度；

步驟(2)：將z陀螺積分角度與碼盤(pán)輸出的轉(zhuǎn)角作差，對(duì)該差值進(jìn)行擬合可構(gòu)造航向角的補(bǔ)償量；

步驟(3)：利用x、y加速度計(jì)的輸出和初始對(duì)準(zhǔn)得到的俯仰角、橫滾角，扣除重力加速度投影，進(jìn)而構(gòu)造俯仰角和橫滾角的補(bǔ)償量；

步驟(4)：根據(jù)姿態(tài)輸出補(bǔ)償算法補(bǔ)償單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)輸出。

進(jìn)一步的，步驟(1)中z陀螺輸出的角速度可由公式(1)給出：

式中，ω為單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度，ω_P為正轉(zhuǎn)時(shí)z陀螺輸出的角速度，ω_N為反轉(zhuǎn)時(shí)z陀螺輸出的角速度，ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，L為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋?sub>z為z陀螺漂移。

將公式(1)中ω_P與ω_N相加除2，可得到z陀螺輸出中需要扣除的地球自轉(zhuǎn)角速度分量和陀螺漂移之和由公式(2)給出：

在z陀螺輸出中扣除并積分，可得正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)z陀螺積分角度與

將與合在一起即得到z陀螺積分的角度。

進(jìn)一步的，步驟(2)中將z陀螺積分的角度與碼盤(pán)輸出的轉(zhuǎn)角作差，對(duì)差值按公式(4)進(jìn)行擬合：

根據(jù)擬合參數(shù)a、b、c可修正碼盤(pán)輸出的轉(zhuǎn)角，作為航向角的補(bǔ)償信息。

進(jìn)一步的，步驟(3)中根據(jù)初始對(duì)準(zhǔn)得到的俯仰角和橫滾角，按公式(5)扣除x、y加速度計(jì)上的重力加速度投影：

式中，a_x、a_y為x、y加速度計(jì)的輸出，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?sub>0、γ₀為初始對(duì)準(zhǔn)得到的俯仰角和橫滾角，a′_x、a′_y為扣除重力加速度投影后的剩余分量，進(jìn)而通過(guò)公式(6)構(gòu)造俯仰角和橫滾角的補(bǔ)償量：

式中，δθ為俯仰角補(bǔ)償信息，δγ為橫滾角補(bǔ)償信息。

進(jìn)一步的，步驟(4)中的姿態(tài)輸出補(bǔ)償算法具體過(guò)程為：

根據(jù)陀螺的輸出和上一解算周期的姿態(tài)矩陣按公式(7)和公式(8)計(jì)算