[發明專利]一種靜基座下慣性平臺連續翻滾自標定自對準方法

有效

• 申請號: 201710571700.X
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107270905B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發明（設計）人: 丁智堅;周歡;吳穎川;賀元元;吳東升;王鋒;劉建霞;陳圣兵;武龍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63820部隊吸氣式高超聲速技術研究中心
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C25/00
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰;葛啟函

1.一種靜基座下慣性平臺連續翻滾自標定自對準方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立系統坐標系，具體為：

根據慣性平臺與慣性儀表之間的裝配關系，所述慣性儀表包括單自由度三浮陀螺儀Gx、Gy、Gz以及石英加速度計Qx、Qy、Qz，定義如下坐標系：

平臺坐標系p系：取平臺幾何中心O為原點，OX_p軸與Qx石英加速度計敏感軸平行，OY_p軸平行于Qx和Qy石英加速度計敏感軸所確定的平面，并與OX_p軸垂直，OZ_p軸與OX_p軸和OY_p軸構成右手坐標系；

單自由度陀螺儀坐標gi系，i＝x,y,z：坐標軸分別與該陀螺儀的輸入軸I、輸出軸O和自轉軸S平行；

陀螺儀敏感軸坐標sg系：坐標軸與三個單自由度陀螺儀的輸入軸方向一致，由于陀螺儀安裝誤差角的存在，該坐標系為非正交坐標系；

單自由度加速度計坐標ai系，i＝x,y,z：原點O與平臺中心重合，坐標系各軸分別與石英加速度計i的輸入軸I、擺軸P和輸出軸O平行；

加速度計敏感軸坐標sa系：原點O與平臺中心重合，坐標軸與三個石英加速度計的輸入軸方向一致，由于加速度計安裝誤差角的存在，該坐標系為非正交坐標系；

計算平臺坐標c系：將計算機所建立的數字平臺坐標系定義為計算平臺坐標系，由于初始對準誤差、安裝誤差、陀螺儀漂移誤差因素，使得該坐標系與p系并不重合，存在小角度偏差；

導航坐標n系：選擇當地地理系作為導航坐標系，即北天東坐標系；

慣性坐標i系：選擇導航初始時刻的當地地理系作為慣性坐標系；

令平臺系p至導航系n的歐拉角分別為γ、β和α，對應的轉序為3-2-1轉序，二者之間的方向余弦矩陣可表示為

S2、系統建模，包括：

S21、建立慣性儀表誤差模型：

對Gx陀螺儀，單自由度三浮積分陀螺儀漂移表示為：

ε_x＝D_Fx+D_Ixa_gxI+D_Oxa_gxO+D_Sxa_gxS+w_x(公式2)

其中D_Fx為陀螺儀零偏，D_Ix、D_Ox和D_Sx為Gx陀螺儀一次項系數，靜基座下，有

其中gⁿ為重力矢量在導航系下投影，為平臺坐標系到Gx陀螺儀坐標系的姿態矩陣；同理可得出Gy、Gz陀螺儀的漂移模型；

對Qx加速度計，單自由度石英加速度輸出方程可表示為

其中k_a0x為加速度計常值零偏，k_a1x和分別為加速度計刻度因子誤差系數和刻度因子不對稱項系數，υ_x為加速度計測量噪聲，a_axI為加速度計I軸方向比力，靜基座下，有

其中為平臺坐標系到Qx加速度計坐標系的姿態陣，同理可得出Qy、Qz加速度計的輸出方程；

根據陀螺力矩器的線性偏差，其誤差模型可表示為：

ω_out＝(I₃+△K_G)ω_cmd,

其中△k_Gx、△k_Gy和△k_Gz分別表示三個陀螺儀的力矩誤差系數；

S22、建立慣性儀表安裝誤差模型：

假設慣性器件的安裝誤差角均滿足小角度假設，p系至sa與sg系的姿態矩陣可分別寫為

其中θ與Δ分別記為加速度計與陀螺儀安裝誤差角，下標ij，i＝x,y,z，j＝I,O,S,P；表示i方向上的慣性器件沿j軸的安裝誤差；

S23、建立系統模型：

令系統狀態量為其中θ_A為平臺姿態角向量，K_g0為由三個陀螺儀零偏組成的向量，K_g1為由九個陀螺儀一次項組成的向量，△K_G為由三個陀螺力矩誤差系數組成的向量，Δg為由六個陀螺儀安裝誤差角組成的向量，K_a0為由三個加速度計零偏組成的向量，K_a1為由三個加速度計刻度因子誤差項組成的向量，θ_a為由三個加速度計安裝誤差角組成的向量，為由三個加速度計刻度因子不對稱項組成的向量；

忽略平臺各誤差系數之間的乘積，所建立的系統模型為：

其中：

S3、慣性平臺連續翻滾加矩：

慣性平臺連續翻滾加矩方案中平臺相對導航系角速度指令設計如下：

S31、平臺歸零，即

S32、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉1800s；

S33、臺體以0.1°/s相對地理系繞東旋轉900s；

S34、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉1800s；

S35、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉900s；

S36、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉900s；

S37、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

S38、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉900s；

S39、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

S310、臺體以0.1°/s相對地理系繞東旋轉900s；

S311、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

S312、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉900s；

S313、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

S314、臺體以0.1°/s相對地理系繞南旋轉900s；

S315、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

S316、臺體以0.1°/s相對地理系繞東旋轉900s；

S317、平臺跟蹤地理系，相對靜止600s，即

根據上述步驟，獲得平臺施矩指令角速度ω_cmd：

其中為導航系統下地球自轉角速度，為計算平臺坐標系相對導航坐標系的姿態陣，且滿足：

表示的反對稱矩陣；

S4、慣性平臺連續翻滾自標定自對準：

假設tk-1時刻系統狀態量的統計特性為令系統維數為n，θ_A的維數為3，為P_k-1的前3×3部分，為P_k-1的前(n-3)×(n-3)部分，單步降維容積Kalman濾波算法可表示為：

其中：

狀態量預測更新方程：

觀測量預測更新方程，利用與P_k/k-1計算Sigma點ξ_i,k/k-1，W_i^m與W_i^c保持不變：

χ_i,k/k-1＝h_k(ξ_i,k/k-1)+r_k-1,i＝1,2,…,2n (公式21)

濾波器更新方程：

當濾波步數k取到終點時，即可獲得狀態量X，即θ_A和ξ的估計值，同時實現了系統的初始對準和誤差系數的標定。