本發(fā)明涉及的是一種四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，屬于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能提升領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

常規(guī)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)受限于自身機(jī)理其導(dǎo)航誤差快速累積，且三軸正交的裝配模式會(huì)出現(xiàn)單個(gè)慣性器件故障直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效的問題。目前，通過器件級(jí)冗余配置技術(shù)，用更低的成本、體積代價(jià)，能夠有效提升系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，利用雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，抑制三個(gè)軸向的慣性器件誤差，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航精度的大幅提升。因此，冗余式雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法，可以實(shí)現(xiàn)可靠性和導(dǎo)航精度的綜合提升。

現(xiàn)有的捷聯(lián)慣導(dǎo)性能提升方法，僅能單一提升系統(tǒng)可靠性或者導(dǎo)航精度?！兑环N對(duì)稱斜置式四陀螺慣導(dǎo)冗余配置方案》(發(fā)表于期刊《傳感器與微系統(tǒng)》，2015年，02期)一文中，提出了一種對(duì)稱斜置式的四冗余配置方案，實(shí)現(xiàn)了最小器件余度下系統(tǒng)可靠性的大幅提升。但是，器件冗余通過數(shù)據(jù)融合的方式，無法根本改變誤差傳播機(jī)理，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)精度提升有限。而引入雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，能夠同時(shí)抑制三個(gè)軸向的慣性器件誤差，并保證導(dǎo)航自主性。但是，該技術(shù)僅能提升系統(tǒng)導(dǎo)航精度，無法解決慣性器件故障導(dǎo)致系統(tǒng)直接失效的問題。綜上所述，現(xiàn)有的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及性能提升方法無法同時(shí)兼顧系統(tǒng)可靠性和導(dǎo)航精度，限制了系統(tǒng)實(shí)際工況下的工作效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可以同時(shí)提升系統(tǒng)的可靠性和導(dǎo)航精度的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，

一種四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：安裝結(jié)構(gòu)、慣性測(cè)量組件、雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；

安裝結(jié)構(gòu)，包括：四面體框架、三個(gè)l型支撐腳；四面體框架包括三個(gè)斜面和一個(gè)底面；四面體框架的每個(gè)平面均有三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳，三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳的中心構(gòu)成等邊三角形，三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳的上表面共面，且與所在的四面體框架平面平行；每個(gè)安裝基準(zhǔn)腳有兩個(gè)螺紋孔，兩個(gè)螺紋孔的中心軸線均垂直于安裝平面且關(guān)于安裝基準(zhǔn)腳中心對(duì)稱分布；四面體框架關(guān)于三條梁對(duì)稱，為空心結(jié)構(gòu)；

l型支撐腳有三角凹槽，凹槽中心攻有螺紋；l型支撐腳底面有兩個(gè)螺紋孔；

慣性測(cè)量組件為由一個(gè)陀螺儀、一個(gè)加速度計(jì)和輔助元器件集成的電路板，電路板上有安裝孔；四套慣性測(cè)量組件通過與安裝基準(zhǔn)腳連接裝配于四面體框架的四個(gè)安裝面，通過支撐腳固定于安裝結(jié)構(gòu)的底座；雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與安裝結(jié)構(gòu)固連。

一種采用了四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，還可以包括：

1.四面體安裝框架、l型支撐腳均為一體成型。

2.所述的l型支撐腳與相鄰的安裝基準(zhǔn)腳之間留有1mm～2mm的間隙。

一種采用了四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航方法，包括如下步驟：

步驟一、四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行初始化，保持雙軸雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不動(dòng)，完成系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)；

步驟二、利用雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，使雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制慣性測(cè)量組件按照作雙軸旋轉(zhuǎn)；

步驟三、采集旋轉(zhuǎn)調(diào)制作用下的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)和加速度測(cè)量數(shù)據(jù)；

步驟四、利用雙軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)步驟三中采集的陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)和加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，分別得到陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值；

所述的陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值表達(dá)式為

式中，和分別為陀螺儀和加速度計(jì)在載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為陀螺儀在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為加速度計(jì)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為雙軸旋轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

步驟五、應(yīng)用最小二乘估計(jì)算法，計(jì)算得到陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向等效測(cè)量值和

所涉及的陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向等效測(cè)量值的計(jì)算表達(dá)式為

式中，h為系統(tǒng)冗余配置矩陣；為陀螺儀載體坐標(biāo)系下x軸、y軸和z軸的等效測(cè)量值；為加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下x軸、y軸和z軸的等效測(cè)量值；

步驟六、將步驟五計(jì)算得到的和進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航解算，實(shí)時(shí)解算連續(xù)地輸出載體的導(dǎo)航信息，直至導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束。

本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果：

(1)本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠大幅提升系統(tǒng)可靠性，且系統(tǒng)成本和體積增加，便于在空間有限的導(dǎo)航室使用和維護(hù)。

(2)本發(fā)明利用慣性器件自身的測(cè)量信息和周期性、有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)調(diào)制提升系統(tǒng)精度，能夠有效解決捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)外部輔助信息依賴性強(qiáng)而破壞其導(dǎo)航自主性的問題。

(3)本發(fā)明將四冗余配置和雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法有機(jī)地融合，通過冗余配置增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和精度，通過雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制抑制等效慣性器件誤差所導(dǎo)致的導(dǎo)航誤差積累，實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性和導(dǎo)航精度的綜合提升。

附圖說明

圖1為四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖2為四冗余捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)。

圖3為安裝結(jié)構(gòu)l型支撐腳正視圖。

圖4為安裝結(jié)構(gòu)l型支撐腳俯視圖。

圖5為慣性測(cè)量組件。

圖6為四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法基本流程框圖。

圖7為八次序雙軸旋轉(zhuǎn)方案。

圖8為系統(tǒng)可靠度函數(shù)曲線。

圖9為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)東向速度誤差曲線。

圖10為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)北向速度誤差曲線。

圖11為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)度誤差曲線。

圖12為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緯度誤差曲線。

圖13為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)位置誤差曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，如附圖1所示，由慣性測(cè)量組件1、安裝結(jié)構(gòu)2、雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3構(gòu)成。如附圖2所示，安裝結(jié)構(gòu)2，包括：四面體框架4、三個(gè)l型支撐腳7；四面體框架4包括三個(gè)斜面和一個(gè)底面，斜面與底面間的夾角均為冗余配置角度α＝70.53°；四面體框架4的每個(gè)平面均有三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳5，三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳5的中心構(gòu)成等邊三角形，三個(gè)安裝基準(zhǔn)腳5的上表面共面，且與所在的四面體框架平面平行；每個(gè)安裝基準(zhǔn)腳5有兩個(gè)安裝基準(zhǔn)腳螺紋孔6，兩個(gè)安裝基準(zhǔn)腳螺紋孔的中心軸線均垂直于安裝平面且關(guān)于安裝基準(zhǔn)腳中心對(duì)稱分布；四面體框架4關(guān)于三條梁對(duì)稱，并設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，減輕框架重量；

l型支撐腳7正視圖、俯視圖，分別如附圖3和附圖4所示。l型支撐腳7由有三角凹槽9，三角凹槽中心攻有螺紋8，用于固連四面體框架4和l型支撐腳7；每個(gè)支撐腳底面有兩個(gè)底面螺紋孔10，用于安裝結(jié)構(gòu)與底座固連；四面體安裝框架和l型支撐腳均采用一體成型方式加工，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。l型支撐腳與相鄰的安裝基準(zhǔn)腳之間留有1mm～2mm的間隙。

慣性測(cè)量組件1，如附圖5所示，慣性測(cè)量組件為由一個(gè)陀螺儀、一個(gè)加速度計(jì)和輔助元器件集成的電路板；四套慣性測(cè)量組件通過與安裝基準(zhǔn)腳連接裝配于四面體框架的四個(gè)安裝面，通過支撐腳固定于安裝結(jié)構(gòu)2的底座；雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3與安裝結(jié)構(gòu)2固連，使得慣性測(cè)量組件1按照轉(zhuǎn)位方案周期性旋轉(zhuǎn)；

本發(fā)明提出一種四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法，其流程圖如附圖6所示，該方法是通過下述的技術(shù)步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一、四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行初始化，保持雙軸雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不動(dòng)，完成系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)；

所涉及的四面體冗余配置方案具體描述為：選取四面體框架底面作為xoy面，底面中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)o，以四面體的高線作為z軸，底面正三角形的高線作為x軸，使z軸與x軸、y軸共同構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系oxyz；慣性測(cè)量組件1裝配于四面體框架底面，測(cè)量軸沿z軸方向；測(cè)量組件2、3、4裝配于四面體框架三個(gè)斜面，測(cè)量軸在xoy面的投影相互間的夾角均為120°，測(cè)量軸與z軸的夾角均為α＝70.53°；

步驟二、針對(duì)步驟一中的四冗余捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，使雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制慣性測(cè)量組件按照轉(zhuǎn)位方案作周期性旋轉(zhuǎn)；

所設(shè)計(jì)的雙軸旋轉(zhuǎn)方案優(yōu)選為八次序雙軸旋轉(zhuǎn)方案，如附圖7所示，冗余式捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)繞坐標(biāo)軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)，各次序旋轉(zhuǎn)時(shí)間均為90秒，完成八次序雙軸旋轉(zhuǎn)的周期為12分鐘；轉(zhuǎn)動(dòng)次序1，冗余式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)繞x軸正向旋轉(zhuǎn)180°；轉(zhuǎn)動(dòng)次序2，繞z軸正向旋轉(zhuǎn)180°；轉(zhuǎn)動(dòng)次序3，繞x軸反向旋轉(zhuǎn)180°；轉(zhuǎn)動(dòng)次序4，繞z軸反向旋轉(zhuǎn)180°回到初始位置。次序5-8與次序1-4對(duì)稱反向旋轉(zhuǎn)。

所涉及的八次序雙軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣為

式中，ω＝π/tr，ω為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角速率；tr為每次序的旋轉(zhuǎn)時(shí)間；

步驟三、實(shí)時(shí)、連續(xù)采集旋轉(zhuǎn)調(diào)制作用下的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)和加速度測(cè)量數(shù)據(jù)

步驟四、利用八次序雙軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)步驟三中采集的陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)和加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，分別得到陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值為

式中，和分別為陀螺儀和加速度計(jì)在載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為陀螺儀在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為加速度計(jì)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的測(cè)量值；為為步驟二中采用的八次序雙軸旋轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

步驟五、對(duì)步驟四中陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下的測(cè)量值和應(yīng)用最小二乘估計(jì)算法計(jì)算得到陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向等效測(cè)量值和

所涉及的陀螺儀和加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向等效測(cè)量值的最小二乘估計(jì)算法為

式中，h為系統(tǒng)冗余配置矩陣；為陀螺儀載體坐標(biāo)系下x軸、y軸和z軸的等效測(cè)量值；為加速度計(jì)載體坐標(biāo)系下x軸、y軸和z軸的等效測(cè)量值；

步驟六、將步驟五計(jì)算得到的和輸入捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)時(shí)解算連續(xù)地輸出載體的速度和位置信息，直至導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束。

為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的合理性與有效性，通過可靠度和平均無故障時(shí)間比較計(jì)算的方式驗(yàn)證四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性提升效果，并通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證所發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法導(dǎo)航精度提升的有效性。

可靠性分析的具體配置描述如下：

表1可靠性分析的具體配置

本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是配置三，配置一和配置二是對(duì)比配置，為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)配置，三種配置的慣性器件均為單自由度。

可靠性分析的結(jié)果如下：

表2系統(tǒng)可靠度及平均無故障時(shí)間(mtbf)

表中λ為故障率，單個(gè)慣性器件的mtbf為1/λ。系統(tǒng)的mtbf計(jì)算值越大，說明系統(tǒng)的可靠性越高。從表2可以看出配置三的平均無故障時(shí)間較配置一和配置二分別提高了1.6倍和2.35倍；假設(shè)單個(gè)慣性器件的mtbf為10000h，三種配置的可靠度時(shí)間函數(shù)曲線如附圖8所示，圖8表明配置三的可靠度明顯高于配置一與配置二，且隨時(shí)間推移可靠度下降較慢，長(zhǎng)時(shí)間工作條件下仍然能維持在較高水平。結(jié)合上述分析可知，相比較捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)配置，本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以有效提升系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)所發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法的精度性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，仿真條件設(shè)定如下：

四個(gè)陀螺儀的常值漂移分別為0.001°/h，0.001°/h，0.0015°/h，0.0015°/h；四個(gè)加速度計(jì)零偏分別為10μg，10μg，15μg，15μg；標(biāo)度因數(shù)誤差設(shè)置為sgx＝sgy＝sgz＝6×10^-6，忽略安裝誤差。載體運(yùn)動(dòng)模擬靜基座狀態(tài)，初始緯度45.7796°n，初始經(jīng)度126.6705°e。初始姿態(tài)誤差角設(shè)置為6″，仿真時(shí)長(zhǎng)12h。八次序雙軸旋轉(zhuǎn)方案如步驟三所示，單軸旋轉(zhuǎn)方案為繞z軸以2°/s旋轉(zhuǎn)角速率的單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

采用四面體冗余配置的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的無旋轉(zhuǎn)調(diào)制、單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制以及雙軸八次序旋轉(zhuǎn)調(diào)制的東向速度誤差曲線、北向速度誤差曲線、經(jīng)度誤差曲線、緯度誤差曲線、位置誤差曲線分別如圖9、圖10、圖11、圖12與圖13所示。由圖9和圖10可知，本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法的東向速度誤差和北向速度誤差振蕩幅度大幅度減小，誤差被調(diào)制在更小范圍；由圖11、圖12和圖13可知，經(jīng)度誤差、緯度誤差均得到有效抑制，定位誤差的發(fā)散程度顯著降低；總體仿真結(jié)果表明，本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法整體精度性能明顯優(yōu)于四冗余無旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法和四冗余單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法，能夠明顯抑制導(dǎo)航誤差發(fā)散，有效保證慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的導(dǎo)航精度。

結(jié)合上述分析，得到如下的結(jié)果：本發(fā)明的四冗余雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，不僅可以大幅度提升系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還能夠有效抑制等效慣性器件誤差引起的各項(xiàng)導(dǎo)航誤差的累積，提高系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的導(dǎo)航精度。因此，本發(fā)明可以更為全面地提升捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，更好地滿足導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高可靠和高精度工作的實(shí)際應(yīng)用需求。

應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。