一種基于冗余配置的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種導(dǎo)航方法，具體地說(shuō)是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通常采用Ξ個(gè)互相正交安裝的巧螺儀進(jìn)行載體角運(yùn)動(dòng)測(cè)量，進(jìn)而完 成導(dǎo)航解算，而此時(shí)任何一個(gè)巧螺儀發(fā)生故障，導(dǎo)航系統(tǒng)都將無(wú)法正常工作，系統(tǒng)可靠性不 能滿足工程實(shí)際需求。另一方面，巧螺儀漂移作為系統(tǒng)的主要誤差源將引起隨時(shí)間積累的 導(dǎo)航誤差，嚴(yán)重地降低系統(tǒng)的精度性能，致使長(zhǎng)時(shí)間工作的導(dǎo)航系統(tǒng)失效。增加巧螺儀的數(shù) 量構(gòu)成冗余系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)巧螺儀之間的最佳配置能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，對(duì)捷 聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，可W有效地抑制巧螺儀漂移誤差引起的導(dǎo)航誤差發(fā)散 現(xiàn)象，從而提高系統(tǒng)工作精度。因此，基于冗余配置的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法，可 W同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性和精度，滿足長(zhǎng)時(shí)間工作條件下對(duì)系統(tǒng)性能的高要求，具有重要的 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 現(xiàn)有的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能提升方法，采用器件級(jí)或系統(tǒng)級(jí)技術(shù)，僅能單一地實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)可靠性的增強(qiáng)或者導(dǎo)航精度的提高。程建華等人在《一種對(duì)稱斜置式四巧螺慣導(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，采用一種對(duì)稱斜置式 四巧螺的冗余配置方案，實(shí)現(xiàn)了巧螺儀數(shù)量為四，即最小巧螺儀余度情況下，系統(tǒng)可靠性的 大幅提升。但是該方法不能抑制巧螺漂移對(duì)導(dǎo)航精度帶來(lái)的不良影響，僅對(duì)提升系統(tǒng)可靠 性有效。張宇飛等人在《基于IMU旋轉(zhuǎn)的船用激光導(dǎo)航系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》（發(fā)表于期刊《海 洋技術(shù)》，2009年，02期）一文中，運(yùn)用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，使慣性器件誤差在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的 均值接近于零，W此來(lái)減小系統(tǒng)誤差積累，在不使用任何外界輔助信息的情況下實(shí)現(xiàn)了系 統(tǒng)精度性能的自主提升。然而，該方法無(wú)法解決慣性器件故障導(dǎo)致的系統(tǒng)失效問(wèn)題，僅能在 系統(tǒng)正常工作的前提下提高系統(tǒng)精度。綜上所述，現(xiàn)有的捷聯(lián)慣導(dǎo)性能提升方法不能同時(shí) 兼顧可靠性和精度，限制了系統(tǒng)實(shí)際工作條件和工作效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供同時(shí)有效地提高系統(tǒng)可靠性和精度的一種基于冗余配置 的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法。 陽(yáng)〇化]本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明一種基于冗余配置的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法，其特征是：
[0007] (1)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的巧螺儀數(shù)量為四個(gè)，對(duì)四個(gè)巧螺儀的安裝結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱斜置 式冗余配置方案，構(gòu)成四巧螺冗余式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；
[0008] (2)安裝四巧螺冗余式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)至載體，使系統(tǒng)初始工作時(shí)刻的坐標(biāo)系oxyz 與載體系重合，其中X軸、y軸和Z軸分別對(duì)應(yīng)于載體系中的右、前、上坐標(biāo)軸；
[0009] (3)對(duì)步驟（1)中的四巧螺冗余式慣導(dǎo)系統(tǒng)采用單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案，構(gòu)成四巧螺 冗余式單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)；
[0010] (4)將四巧螺冗余式單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的四個(gè)巧螺儀的測(cè)量值分別投影到坐標(biāo) 系oxyz上，并進(jìn)一步計(jì)算在單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下載體系上巧螺儀的等效測(cè)量值；
[0011] 巧螺儀測(cè)量值變換到載體系下的測(cè)量方程為
[0012]
[001引式中，4為巧螺儀測(cè)量值變換到載體系下的測(cè)量值；cf為由單軸旋轉(zhuǎn)引起的坐 標(biāo)系oxyz到載體系的變換矩陣，即
[0014]
[0015] 鴻為冗余配置中四巧螺儀測(cè)量值投影至坐標(biāo)系oxyz上的等效測(cè)量值，即
[0016]
[0017] ω,為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)角速率，即ω2π/Tf;α為巧螺儀測(cè)量值等效至 坐標(biāo)系oxyz的變換矩陣參數(shù)，由四巧螺冗余配置結(jié)構(gòu)決定α= 54. 73° ;〇1、〇2、和 ?4分別為四個(gè)巧螺儀的測(cè)量值；
[0018] (5)將步驟（4)計(jì)算得到的?遂代入導(dǎo)航解算過(guò)程，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)連續(xù)地輸出載體的 姿態(tài)、速度和位置的導(dǎo)航信息，直至導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束。
[0019] 本發(fā)明還可W包括：
[0020] 1、所述的對(duì)稱斜置式冗余配置方案為：
[0021] 針對(duì)側(cè)面為等邊Ξ角形、底面為正方形、且側(cè)面與底面夾角為54. 73°的五面體， 選取底面中屯、為坐標(biāo)系原點(diǎn)0,底面的兩個(gè)對(duì)角線分別為X軸和y軸，Ζ軸與X軸及y軸構(gòu) 成右手直角坐標(biāo)系oxyz，參照該五面體安裝四個(gè)巧螺儀使四個(gè)巧螺儀的測(cè)量軸相交于原點(diǎn) 0，且分別垂直于五面體的四個(gè)側(cè)面。
[0022] 2、所述的單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案為：
[0023] 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)繞坐標(biāo)系oxyz中Z軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)周期為Tf。
[0024] 本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：本發(fā)明創(chuàng)新地將巧螺儀冗余技術(shù)和旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行有效地 設(shè)計(jì)結(jié)合，可W在任何一個(gè)巧螺儀發(fā)生故障的情況下提供精確的器件測(cè)量信息用于導(dǎo)航解 算，同時(shí)可在單軸旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)平均掉冗余系統(tǒng)巧螺儀的等效漂移，消除由其引起的隨時(shí)間 積累的導(dǎo)航系統(tǒng)輸出誤差；本發(fā)明不同于一般的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能提升方法，可W同時(shí)保 證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作條件下的可靠性和精度，更全面地提高系統(tǒng)的綜合性能，且具有成本低、 易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，因此本發(fā)明具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[00巧]圖1為本發(fā)明的流程框圖；
[00%] 圖2為本發(fā)明采用的對(duì)稱斜置式四巧螺冗余配置方案；
[0027] 圖3為系統(tǒng)可靠度函數(shù)曲線；
[0028] 圖4為導(dǎo)航系統(tǒng)東向速度誤差曲線；
[0029] 圖5為導(dǎo)航系統(tǒng)北向速度誤差曲線；
[0030] 圖6為導(dǎo)航系統(tǒng)縱搖角誤差曲線；
[0031] 圖7為導(dǎo)航系統(tǒng)橫搖角誤差曲線；
[0032] 圖8為導(dǎo)航系統(tǒng)位置誤差曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：
[0034] 結(jié)合圖1~8,本發(fā)明方法的主要步驟如下：
[0035] (1)將四個(gè)單自由度巧螺儀按對(duì)稱斜置式配置方案裝備捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，所設(shè)及 的對(duì)稱斜置式配置方案如附圖2所示；
[0036] 針對(duì)側(cè)面為等邊Ξ角形、底面為正方形、且側(cè)面與底面夾角為54. 73°的五面體， 選取底面中屯、為坐標(biāo)原點(diǎn)0,W底面的兩個(gè)對(duì)角線分別為X軸和y軸，Z軸與X軸及y軸構(gòu) 成右手直角坐標(biāo)系oxyz，參照該五面體安裝四個(gè)巧螺儀使四個(gè)巧螺儀的測(cè)量軸相交于原點(diǎn) 0，且分別垂直于五面體的四個(gè)側(cè)面。
[0037] (2)將四巧螺冗余式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)連同旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝至載體上，使初始時(shí)刻坐標(biāo) 系oxyz與載體坐標(biāo)系重合，其中X軸、y軸和Z軸分別對(duì)應(yīng)于載體系中的右、前、上坐標(biāo)軸；
[0038] (3)啟動(dòng)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)完成系統(tǒng)預(yù)熱，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)四巧螺冗余式捷聯(lián)慣導(dǎo)系 統(tǒng)采用單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案；
[0039] 所設(shè)及的旋轉(zhuǎn)方案為 W40] 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)繞坐標(biāo)系oxyz中Z軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)周期為Tf;
[0041] (4)在進(jìn)行導(dǎo)航解算之前，對(duì)四個(gè)巧螺儀測(cè)量值作變換等效處理，求取載體系上巧 螺儀的等效測(cè)量值；
[0042] 根據(jù)四巧螺冗余式單軸旋轉(zhuǎn)方案，可列出巧螺儀測(cè)量值變換到載體系下的測(cè)量方 程為
[0043]
W44] 式中，誠(chéng)為巧螺儀測(cè)量值變換到載體系下的測(cè)量值；巧為由單軸旋轉(zhuǎn)引起的坐 標(biāo)系oxyz到