[發明專利]一種低成本單陀螺航位推算導航方法及系統

有效

• 申請號: 201510345399.1
• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN104864874B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 韓勇強;田曉春;李楠;徐建華;劉星橋
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 北京太兆天元知識產權代理有限責任公司11108
• 代理人: 張洪年

技術領域

本發明涉及一種單陀螺導航技術，具體涉及一種低成本單陀螺航位推算導航方法及系統。

背景技術

在軍、民領域中的各類設備上，慣性導航系統作為一種現代化導航設備已被廣泛應用。慣性導航系統主要分為平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統兩大類。捷聯慣性導航系統和平臺式慣性導航系統一樣，能精確提供載體的姿態、地速、經緯度等導航參數。

捷聯慣性導航系統有以下獨特優點：去掉了復雜的平臺機械系統，系統結構極為簡單，減小了系統的體積和重量，同時降低了成本，簡化了維修，提高了可靠性。目前的導航系統通常由3個陀螺、3個加速度計組成，雖然具有選配的靈活性，但是由于使用3個陀螺造成了成本、體積、重量等的增加。

因此，有必要研究出一種低成本單陀螺航位推算導航方法及系統，從而解決現有技術的上述缺陷。

發明內容

針對捷聯導航系統存在的成本較高、航向誤差積累、體積、重量較大等問題，本發明提供了一種低成本單陀螺航位推算導航方法及系統，該系統利用航向感應傳感器(如磁傳感器，亦可為偏振光傳感器)提供航向參考，采用1個光學陀螺(敏感軸指天向)與航向傳感器組合提供高精度動態航向，兩個加速度計負責測量載體姿態，一個里程計提供載體里程增量，利用航向、姿態、里程信息進行航位推算，從而計算載體位置，具有小體積、低功耗、低成本等諸多優點。

本發明請求提供了一種低成本單陀螺航位推算導航方法，該方法包括以下步驟：

步驟S101，利用磁感應計與光學陀螺計算載體系x軸的航向角ψ；

假設初始階段，磁感應計受磁場環境擾動較小，則通過1分鐘的靜止狀態，對磁感應計的航向角輸出作平滑，得到初始航向角ψ₀；

采用光學陀螺輔助磁感應計進行航向角計算，利用光學陀螺輸出進行航向角更新：

ψ_i＝ψ_i-1+Ω_i-1-Ω_iesin(L)cos(θ) (1)

其中，(i-1)-i表示一個采樣周期(Ts)，ψ_i為i時刻的航向角，Ω_i-1為(i-1)-i時刻的陀螺輸出(單位為弧度)，Ω_ie為一個采樣周期內的地球自轉角度，L為當地緯度,θ為載體俯仰角；

陀螺測量值存在漂移，會導致航向角誤差隨時間積累，利用磁感應計對陀螺的積累誤差進行補償，令ψ^G＝ψ_i表示i時刻陀螺解算的航向角，ψ^M表示磁感應計解算到的航向角；

當滿足如下條件時，利用ψ^M替換ψ_i以消除陀螺漂移等因素的航向角累計誤差：

條件1:t_gyro＞T,其中t_gyro為陀螺推算時間，T為某常值參數；

條件2:公式(2)成立。

其中表示一個平滑周期T_smooth內的ψ^G均值，表示一個平滑周期內ψ^M均值；將一個平滑周期分為k個子周期，即T_smooth＝k*Ts；δψ_i表示第i個子周期內的ψ^G與ψ^M差值，即J為航向角波動閾值；

不等式左側第一項反映磁感應計與陀螺解算航向角的常值偏差，第二項反映磁感應計受磁場影響的波動程度；當不等式成立時，表明磁感應計周圍磁場無異常波動，可以用ψ^M替換ψ_i以消除陀螺漂移等因素的航向角累計誤差；

步驟S102，利用加速計A1計算載體俯仰角θ；

加速度計A1計算載體俯仰角θ的公式如下(見公式3)，

其中a1表示加速度計A1的測量輸出量，g為重力加速度，定義載體車頭上揚時θ角為正；

a_b的計算過程如公式5,6所示：

a_b＝x₂ (5)

x₂(k+1)＝x₂(k)-h*r*sat(g(k)，δ) (6)

其中：

z₁(k)＝e(k)+hx₂(k) (9)