[發明專利]一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統行進間對準方法

在審

• 申請號: 202211095069.8
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115371681A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 王常虹;張亞;范世偉;夏秀瑋;魏健雄;伊國興;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

1.一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統行進間對準方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：將力反饋模式的高精度半球諧振陀螺、微機械陀螺安裝于船舶上，兩種陀螺x軸平行指向船右舷方向，y軸指向船艏方向，z軸指向天向，多普勒計程儀所測速度方向的xyz軸分別與陀螺的xyz軸平行；三個設備分別與裝有數據采集軟件的計算機相連；

步驟二：在船舶行進的對準過程中，同時采集半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統、MEMS陀螺和多普勒計程儀測量的速度信息數據；

步驟三：通過設置閾值，判斷搖擺運動中角速率超過HRG測量范圍的數據，通過MEMS陀螺輸出作為HRG捷聯慣性導航系統該軸的角速率輸出值，實現載體角速率信息的重構；

步驟四：借助外部測速信息輔助，重構速度觀測矢量；

步驟五：利用將姿態矩陣求解問題轉化為Wahba姿態確定問題，最終得到載體姿態矩陣，實現半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統初始對準；

步驟六：將對準得到的姿態矩陣存入導航計算機中，完成對準過程。

2.根據權利要求1所述的一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統行進間對準方法，其特征在于，步驟三所述的力反饋模式HRG測量精度高，但是測量范圍有限，且在行進間收運動中加速度的影響無法完成自對準；采用外界輔助設備輔助其完成行進間對準，具體方法為：

1)同時采集捷聯慣性導航系統HRG的角速率數據和同軸安裝MEMS陀螺所測量得到的角速率信息，根據HRG測量范圍，設置閾值λ；

2)比較HRG測量值與閾值，選擇是否將MEMS輸出作為對準數據，具體方法為：

其中，IMUx，IMUy，IMUz分別為用于對準的三軸陀螺的數據，t為數據采集的時刻HRGx，HRGy，HRGz分別為HRG三軸陀螺輸出的數據，MEMSx，MEMSy，MEMSz分別為MEMS三軸陀螺輸出的數據，λ為設置的閾值；將得到陀螺數據和加速度數據用于搖擺基座的對準。

3.根據權利要求1所述的一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統行進間對準方法，其特征在于，步驟四借助外部測速信息輔助，重構速度觀測矢量，具體方法為：

1)根據比力方程：

其中vⁿ表示導航坐標系(n系)下速度信息，表示導航坐標系下速度變化率，f^b表示載體坐標系(b系)下的比力信息，為導航坐標系下地球自轉角速率，為導航系下導航系相對地球坐標系轉動的角速率，gⁿ為導航系下重力信息；

將經過變換得到：

其中

其中為表示方便，對于任意三維列向量V＝[V_x V_y V_z]^T，用(V×)表示3階矩陣：

帶入上式整理得到：

為載體坐標系(b系)下載體坐標系相對慣性坐標系(i系)的角速率信息；

兩邊取積分得到：

2)用α，β表示等式兩邊得到：

其中：

gⁿ⁽⁰⁾＝-g[sinω_ietcosL (1-cosω_iet)sinLcosL 1-(1-cosω_iet)cos²L]^T；

gⁿ⁽⁰⁾為重力加速度在n(0)系下的投影，其中t為當前時刻，L為載體所在位置的緯度信息；

α，β分別表示重力矢量在初始時刻載體坐標系b0下和導航坐標系n0下積分得到的速度矢量。

4.根據權利要求1所述的一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯慣性導航系統行進間對準方法，其特征在于，步驟五所述的利用慣性系對準方法，實現對準，具體方法為：

1)根據矩陣鏈式法則，將展開成分別對分解得到的三個矩陣進行求取；

2)：由于為常值，即n(t)系相對于n(0)系為定軸轉動，由上式可解得的表達方式：

其中I為單位矩陣，ω_ie為地球自轉角速率，t為當前時刻；

其次，加速度計的比力輸出在b(0)系投影為：

其中：

上式中Δθ₁與Δθ₂分別為陀螺測量得到的角速率增量信息，為補償后的兩采樣時刻間的角增量，t為當前時刻，tm為上一個角增量補償值產生時刻，即兩個當前t時刻的兩個采樣時刻之前；

3)：根據之前分析結果：

將其作為Wahba問題求解，的四元數表示形式可以通過Davenport-q遞歸算法計算遞歸矩陣K_k的最大特征值所對應的特征向量求得：

其中：

δB_k＝β_kα_k^T

其中α_k和β_k分別為α和β的離散形式；

為了得到粗對準末了時刻的姿態矩陣，可使用如下公式進行計算

據此，得到捷聯矩陣，完成船舶行進間初始對準。