一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)簡便，運(yùn)算量低，適合工程應(yīng)用。第一步：在粗對準(zhǔn)過程中使旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的雙軸按預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)方案周期性地旋轉(zhuǎn)；第二步：在IMU的每一采樣周期均采用解析法求出IMU的姿態(tài)矩陣估計(jì)值；第三步：在每一采樣周期根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角位置傳感器輸出值求出載體坐標(biāo)系和IMU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣；第四步：根據(jù)IMU姿態(tài)矩陣估計(jì)值和載體坐標(biāo)系與IMU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣求出當(dāng)前采樣時(shí)刻載體姿態(tài)矩陣的估計(jì)值；第五步：對粗對準(zhǔn)過程各時(shí)刻求得的載體姿態(tài)矩陣估計(jì)值求平均值，得到載體姿態(tài)矩陣的最終估計(jì)值。
【專利說明】一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)過程分為兩個(gè)階段:粗對準(zhǔn)與精對準(zhǔn)。粗對準(zhǔn)的主要任務(wù)是估計(jì)姿態(tài)矩陣的近似值，為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供一個(gè)基本參考數(shù)學(xué)平臺；在精對準(zhǔn)階段進(jìn)一步通過狀態(tài)濾波等方法估計(jì)出姿態(tài)矩陣的誤差，從而得到更精確的數(shù)學(xué)平臺，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)航解算。粗對準(zhǔn)的精度會影響到精對準(zhǔn)的收斂速度和精度，進(jìn)而影響導(dǎo)航解算的精度，因此提高粗對準(zhǔn)精度對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能具有重要意義。
[0003]傳統(tǒng)的解析式粗對準(zhǔn)根據(jù)陀螺儀和加速度計(jì)的輸出計(jì)算載體的姿態(tài)矩陣初值，但當(dāng)載體受到震蕩等隨機(jī)干擾時(shí)，慣性器件輸出信噪比降低，對準(zhǔn)精度下降。以往的研究利用基于凝固慣性坐標(biāo)系的粗對準(zhǔn)方法通過積分運(yùn)算抑制載體振蕩干擾信號，但加速度計(jì)輸出中除了擾動誤差外還含有零偏誤差，隨積分積累仍會導(dǎo)致粗對準(zhǔn)精度降低。而擾動誤差的補(bǔ)償又依賴于上述積分過程，所以捷聯(lián)慣導(dǎo)的凝固慣性系粗對準(zhǔn)方法存在一定局限。
[0004]近年來基于慣性測量單元(MU)旋轉(zhuǎn)的誤差補(bǔ)償技術(shù)在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)具有與平臺式慣導(dǎo)相似的環(huán)架，通過MU旋轉(zhuǎn)抑制系統(tǒng)誤差積累；同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也給IMU提供了可控的角運(yùn)動特性，可以輔助改善旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)可觀測性。對于靜基座載體的粗對準(zhǔn)，在傳統(tǒng)解析法粗對準(zhǔn)的應(yīng)用中，通常使用多次測量求平均值的方法以提高精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，利用IMU旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性器件的零偏，再通過求平均值過程中隱含的積分運(yùn)算補(bǔ)償零偏對精度的影響，該方法實(shí)現(xiàn)簡便，運(yùn)算量低，適合工程應(yīng)用。
[0006]一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，包括以下步驟:
[0007]第一步:在粗對準(zhǔn)過程中使旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的雙軸按預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)方案周期性地旋轉(zhuǎn);
[0008]第二步:在IMU的每一采樣周期均采用解析法求出IMU的姿態(tài)矩陣估計(jì)值；
[0009]第三步:在每一采樣周期根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角位置傳感器輸出值求出載體坐標(biāo)系和IMU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣；
[0010]第四步:根據(jù)IMU姿態(tài)矩陣估計(jì)值和載體坐標(biāo)系與IMU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣求出當(dāng)前采樣時(shí)刻載體姿態(tài)矩陣的估計(jì)值；
[0011]第五步:對粗對準(zhǔn)過程各時(shí)刻求得的載體姿態(tài)矩陣估計(jì)值求平均值，得到載體姿態(tài)矩陣的最終估計(jì)值。
[0012]第一步中所述的旋轉(zhuǎn)方案選擇下述方案之一:[0013]a.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；
[0014]b.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周改變轉(zhuǎn)向；
[0015]c.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向交替旋轉(zhuǎn)，每個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一周則停止同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)另一軸，如此循環(huán)往復(fù)；
[0016]d.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第一軸在反向旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第二軸反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復(fù)；
[0017]e.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周，然后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復(fù)；
[0018]其中方案a、c只有能在旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺含有導(dǎo)電滑環(huán)的情況下使用，而且當(dāng)IMU存在標(biāo)度因數(shù)誤差和安裝誤差的情況下因耦合產(chǎn)生新誤差則不能采用。
[0019]上述各方案中內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸分別以恒定角速率ωι、ω2旋轉(zhuǎn)，ω,Ρ ?2的范圍為0.6° / s—60° / S。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]本發(fā)明利用多次測量求平均值運(yùn)算中隱含的等效積分過程將基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差抑制技術(shù)引入粗對準(zhǔn)環(huán)節(jié)，以改善解析法粗對準(zhǔn)的精度。對于靜基座載體的粗對準(zhǔn)，在旋轉(zhuǎn)調(diào)制的過程中的每一采樣周期進(jìn)行粗對準(zhǔn)，再通過求平均值運(yùn)算補(bǔ)償零偏對粗對準(zhǔn)精度的影響。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在靜基座條件下旋轉(zhuǎn)式解析法粗對準(zhǔn)相對于傳統(tǒng)方法可以顯著改善粗對準(zhǔn)精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為靜基座粗對準(zhǔn)仿真實(shí)驗(yàn)失準(zhǔn)角示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]解析法粗對準(zhǔn)所求姿態(tài)矩陣為導(dǎo)航坐標(biāo)系(東北天地理坐標(biāo)系)η與IMU坐標(biāo)系ρ或載體坐標(biāo)系b之間的方向余弦矩陣 <::或.:.其中ρ系與b系的坐標(biāo)軸分別指向IMU或載體的右、前、上方向。具體方法是分別將兩個(gè)坐標(biāo)系下的三個(gè)矢量(重力引起的比力矢量、地球自轉(zhuǎn)角速度矢量及二者叉積)組成的矩陣相乘，得到姿態(tài)矩陣。旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，解析法粗對準(zhǔn)的計(jì)算式如下:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:在粗對準(zhǔn)過程中使旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的雙軸按預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)方案周期性地旋轉(zhuǎn)； 第二步:在IMU的每一采樣周期均采用解析法求出IMU的姿態(tài)矩陣估計(jì)值； 第三步:在每一采樣周期根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角位置傳感器輸出值求出載體坐標(biāo)系和MU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣； 第四步:根據(jù)頂U(kuò)姿態(tài)矩陣估計(jì)值和載體坐標(biāo)系與MU坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣求出當(dāng)前采樣時(shí)刻載體姿態(tài)矩陣的估計(jì)值； 第五步:對粗對準(zhǔn)過程各時(shí)刻求得的載體姿態(tài)矩陣估計(jì)值求平均值，得到載體姿態(tài)矩陣的最終估計(jì)值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，其特征在于，第一步中所述的旋轉(zhuǎn)方案選擇下述方案之一:a.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；b.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一周改變轉(zhuǎn)向； c.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸單向交替旋轉(zhuǎn),每個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一周則停止同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)另一軸,如此循環(huán)往復(fù)； d.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第一軸在反向旋轉(zhuǎn)一周，然后再由第二軸反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復(fù)； e.內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸變向交替旋轉(zhuǎn)，第一軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周，然后停止，然后由第二軸旋轉(zhuǎn)一周后再反向旋轉(zhuǎn)一周，如此循環(huán)往復(fù)； 其中方案a、c只有能在旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺含有導(dǎo)電滑環(huán)的情況下使用，而且當(dāng)IMU存在標(biāo)度因數(shù)誤差和安裝誤差的情況下因耦合產(chǎn)生新誤差則不能采用。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的靜基座慣性導(dǎo)航系統(tǒng)粗對準(zhǔn)方法，其特征在于，上述各方案中內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸分別以恒定角速率ωρ ω2旋轉(zhuǎn)，Co1和《2的范圍為.0.6。/ s—600 / S0
【文檔編號】G01C21/20GK103591960SQ201310565856
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】鄧志紅, 王博, 付夢印, 周元, 劉彤 申請人:北京理工大學(xué)