[發明專利]一種微機械陀螺輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統搖擺基座無緯度對準方法

在審

• 申請號: 202211078255.0
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115371680A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 王常虹;張亞;夏秀瑋;于飛;魏健雄;奚伯齊;夏紅偉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C25/00
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 張常勝

本發明提供了一種微機械陀螺輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統搖擺基座無緯度對準方法，屬于自動化技術領域里一種信號處理方法。本發明針對航海用的力反饋模式HRG捷聯慣性導航系統在受到海浪沖擊產生搖擺，載體姿態角速率超過HRG角速率測量范圍，并且緯度信息未知的情況下，利用與HRG慣導系統同軸安裝的MEMS陀螺作為角速率測量輔助設備，通過重力矢量幾何約束和慣性系對準方法，解決船舶搖擺狀況下初始對準與緯度估計的問題。本發明可以實現載體處于搖擺且緯度未知情況下的初始對準，對于運動狀態和外界緯度信息有較低的要求，具有很高的自主性和魯棒性。

技術領域

本發明涉及一種微機械陀螺輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統搖擺基座無緯度對準方法，自動化技術領域里一種信號處理方法。

背景技術

本發明設計的是一種微機械(Micro-electromechanical Systems，MEMS)陀螺輔助的力反饋模式半球諧振陀螺(Hemispherical resonator gyro,HRG)捷聯慣性導航系統搖擺基座的無緯度對準方法，更確切地說，是針對航海用的力反饋模式HRG捷聯慣性導航系統在受到海浪沖擊產生搖擺，載體姿態角速率超過HRG角速率測量范圍，并且緯度信息未知的情況下，利用與HRG慣導系統同軸安裝的MEMS陀螺作為角速率測量輔助設備，通過重力矢量幾何約束和慣性系對準方法，解決船舶搖擺狀況下初始對準與緯度估計的問題。屬于自動化技術領域里一種信號處理方法，實現載體處于搖擺且緯度未知情況下的初始對準。

半球諧振陀螺儀是一種新型慣導級固體陀螺，它是利用在半球形諧振子上激起的駐波的哥氏效應(Coriolis Effect)來測量基座旋轉角速度的一種新型振動陀螺儀。由于半球諧振陀螺儀無高速運動部件，不需溫度控制，內部功耗小，潛在的失效因素最少，因而具有很高的測量精度，超強的穩定性和可靠性，良好的抗沖擊振動性和溫度性能。尤其是它具有長達15年以上的工作壽命，連續工作15年的可靠度可達0.995。基于上述優勢，由半球諧振陀螺儀構建的捷聯慣性導航系統將是航海用慣性導航設備的理想選擇之一。

然而，傳統的激光陀螺、光纖陀螺相比，力反饋模式HRG螺測量范圍較小，雖然海洋運載器大部分的運動處于低角速率運動狀態，但受不同海況的影響，海洋運載器在系泊狀態對準過程中可能出現劇烈的搖擺運動，所產生的角速率可能超過力反饋模式HRG測量范圍，全角模式HRG雖然測量范圍較大，但目前技術不成熟，國內產能低，不適于大規模裝備，且目前測量精度低于力反饋模式HRG。

MEMS陀螺雖然測量精度較低，無法達到HRG對于角速率的測量精度，但角速率測量范圍較大，可以作為當角速率超過HRG器件測量范圍時的角速率測量儀器。因此選用MEMS陀螺作為輔助設備，實現HRG捷聯慣性導航系統的對準。這將為后續船舶導航提供有力的保障。

初始對準技術作為捷聯慣性導航系統的關鍵技術，其對準速度和對準精度將直接決定捷聯慣性導航系統的啟動響應時間和姿態測量精度。傳統初始對準技術在啟動對準時無需經度信息，但是卻嚴重依賴外部緯度信息，這會降低系統自主性及安全性，影響其戰場生存能力。這種影響在搖擺基座下更為顯著。

搖擺基座條件下，由于海浪搖擺運動引起的角速度遠大于地球自轉角速度，使得陀螺輸出具有較低信噪比，因而無法直接從陀螺輸出信息中提取地球自轉角速度矢量，此時傳統解析式靜基座對準方法將無法工作。另外，由于羅經對準和卡爾曼濾波組合對準方法在應用時需要滿足失準角是小角度的條件，因而無法完成搖擺基座任意方位航向角條件下初始對準。

盡管在搖擺基座條件下無法直接利用地球自轉角速度構建約束方程，慣性系對準方法轉而通過利用兩個或多個時刻慣性系下重力加速度矢量構建相應約束關系，進而確定姿態變換矩陣，因此被廣泛用于搖擺基座初始對準。本質上，基于速度積分形式的雙矢量慣性系對準方法屬于最小二乘估計范疇，對器件噪聲、外界環境振動等干擾都具有較好抑制作用。