一種恒速偏頻/機抖激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是一種恒速偏頻/機抖激光巧螺慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo) 航方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)可W平均調(diào)制與旋轉(zhuǎn)軸垂直的慣性器件誤差，對于旋轉(zhuǎn)軸軸向 的器件誤差，有學(xué)者采用在線標(biāo)定與補償?shù)姆椒?，但?biāo)定時間普遍較長，無法滿足快速性要 求。速率偏頻激光巧螺慣導(dǎo)系統(tǒng)方案不僅可W克服機械抖動偏頻激光巧螺過鎖區(qū)隨機游走 誤差影響，而且正反轉(zhuǎn)的方式還能抵消與偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向巧螺標(biāo)度因數(shù)誤差相關(guān)的等效漂 移誤差，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度，但正反轉(zhuǎn)交替旋轉(zhuǎn)的偏頻方式要求偏頻機構(gòu)瞬間反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)難 度大。恒速偏頻方式可實現(xiàn)高精度的尋北，但由于偏頻機構(gòu)W恒定角速率旋轉(zhuǎn)，造成與偏頻 旋轉(zhuǎn)軸方向巧螺標(biāo)度因數(shù)誤差相關(guān)的等效漂移誤差，純慣性導(dǎo)航誤差大。因此，尋找一種單 軸恒速偏頻旋轉(zhuǎn)且能抑制偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向巧螺標(biāo)度因素誤差的慣導(dǎo)系統(tǒng)方案具有重要意 義。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有的單軸恒速偏頻激光巧螺導(dǎo)航系統(tǒng)不能解決偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向巧 螺標(biāo)度因素誤差的問題，提出了一種恒速偏頻/機抖激光巧螺慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航方法。該方案在 Ξ個巧螺、Ξ個加速度計構(gòu)成的高精度激光巧螺恒速偏頻尋北系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個不 隨偏頻機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的固定在基座上的機械抖動偏頻激光巧螺，用于敏感偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向的載 體角運動，避免了沿恒速偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向的巧螺標(biāo)度因數(shù)誤差造成的姿態(tài)誤差積累。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0005] -種恒速偏頻/機抖激光巧螺慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航方法，其步驟為：
[0006] 步驟一:機械抖動偏頻激光巧螺安裝:在Ξ個巧螺(gx、gy、gz )、Ξ個石英曉性加速 度計(ax、ay、az)構(gòu)成的高精度激光巧螺恒速偏頻尋北系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝一個不隨偏頻機 構(gòu)旋轉(zhuǎn)的固定在基座上的機械抖動偏頻激光巧螺gdz，其敏感軸與旋轉(zhuǎn)軸一致，提供偏頻旋 轉(zhuǎn)軸方向的載體角運動信息；
[0007] 步驟二:坐標(biāo)系及安裝關(guān)系定義：
[000引定義η系為當(dāng)?shù)厮降乩碜鴺?biāo)系，N-E-D(北-東-地)方向；
[0009] bg系為斜裝的恒速偏頻IMU(慣性測量單元)坐標(biāo)系，其軸與gj它螺敏感軸重合， 軸在gx巧螺與gy巧螺敏感軸所確定的平面內(nèi)且gy巧螺敏感軸方向偏離·％軸一個小的安 裝偏差角，\軸方向符合右手規(guī)則且gz巧螺敏感軸方向偏離\軸一個小的安裝偏差角；
[0010] b系為變換后的IMU坐標(biāo)系，采用前-右-下方向，Zb軸與恒速偏頻旋轉(zhuǎn)軸重合，a軸、 yb軸與偏頻旋轉(zhuǎn)軸正交，xb軸與軸及Zb軸在同一平面內(nèi)，與η系間的方向余弦矩陣為C ;
[0011] bg系、b系固聯(lián)于旋轉(zhuǎn)臺面中并隨轉(zhuǎn)臺連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速Ω(轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸指向下方J員 時針方向為正），周期T，t時刻與轉(zhuǎn)臺零位夾角a(t);
[0012] bp系為轉(zhuǎn)臺臺體坐標(biāo)系，與b系在t = 0時刻重合，與η系間的方向余弦矩陣為
[0013] (芳為6系與bp系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，可由a(t)表示為：
[0014]
(I)
[0015] 步驟Ξ:偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向等效巧螺采樣值計算：
[0016] b系下偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向敏感角速率可表示為，
[0017]
(2)
[0018] 式中，6^是b系下載體角速度，bp系中機械抖動激光巧螺敏感軸單位矢量為[kdx kdy kdz]T，其敏感角速率理論值為Qdz，上標(biāo)T表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置，At是采樣時間間隔； [0019]由式(2)積分可得相應(yīng)的巧螺角增量采樣值，根據(jù)b系中恒速偏頻激光巧螺IMU提 供的垂直于旋轉(zhuǎn)軸的角增量
，固聯(lián)于bp系中的機抖巧螺的角增量
I偏頻旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的角位置a(t)和角增量Aa(t)，可計算出b系沿偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向的 角增量
[0020] 步驟四：精確標(biāo)校bg系與b系之間的安裝關(guān)系矩陣cj*:;設(shè)置bg系Ξ個恒速偏頻激光 巧螺工作在機械抖動偏頻模式下，利用水平姿態(tài)角γ (滾動角）和Θ(俯仰角）的計算結(jié)果對 cts進(jìn)行精確標(biāo)校；
[0021] 步驟五:精確標(biāo)校機械抖動激光巧螺敏感軸的單位矢量比dx kdy kdz]:設(shè)置Ξ個恒 速偏頻激光巧螺工作在機械抖動偏頻模式下，cj·保持不變時有：
[00 剖
（3)
[0023] 式中，0)?.表示bp系的旋轉(zhuǎn)角速率；
[0024] 整個慣導(dǎo)系統(tǒng)按照不同的傾斜方式置于單軸轉(zhuǎn)臺上，單軸轉(zhuǎn)臺正反方向旋轉(zhuǎn)，消 除地球自轉(zhuǎn)角速度及巧螺常值漂移誤差影響，根據(jù)油即 可估計出參數(shù)[kdx kdy kdz];
[0025] 步驟六:初始對準(zhǔn)卡爾曼濾波器設(shè)計：
[0026] 選取Ξ個姿態(tài)誤差（Φν、Φε、Φο)和Ξ個速度誤差(SVn、SVe、SVd)作為誤差狀態(tài)，器 件誤差中，選取Ξ個加速度計零偏（《/?、心/,6、作為誤差狀態(tài)，選取偏頻旋轉(zhuǎn)軸方 向等效巧螺采樣值常值零偏&邊、偏差禪合造成的北向等效巧螺漂移εν作為誤差狀態(tài)，即
[0030] 式中，X表不系統(tǒng)誤差狀態(tài)，X表不系統(tǒng)誤差狀態(tài)微分，F(xiàn)表不系統(tǒng)誤差矩陣，G表不 系統(tǒng)噪聲輸入矩陣，W表不系統(tǒng)噪聲：
[0031] w=[wgx Wgy Wgz Wax Way Waz]^ (6)
[0032] 式中，Wgx、Wgy和Wgz為巧螺測量噪聲，Wax、Way、Waz為加速度計測量噪聲；
[0033] 選取η系下速度誤差SVn、SVe和SVd作為觀測量，構(gòu)建觀測方程如下：
[0034] z = Hx+u (7)
[0035] 式中，Z為觀測量，Η為測量矩陣，U為測量噪聲；
[0036] 步驟屯:純慣導(dǎo)誤差修正補償：
[0037] 利用初始對準(zhǔn)卡爾曼濾波對S/f、如;&、和ΕΝ的估計值，在純慣導(dǎo)過 程中進(jìn)行修正補償，完成導(dǎo)航解算，修正補償方法如下：
[0041] 步驟Ξ中偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向等效巧螺采樣值計算中64求解方法為：
[0042] 機抖巧螺敏感角速率理論值可表示為：
[0046] 把式(1)代入式(12)變換后可得誠，的表達(dá)式。
[0047] 步驟四中所述的精確標(biāo)校方法為：
[004引設(shè)真實的IMU坐標(biāo)系為b/系，則有：
[0049]
(B)
[0化0]式中，^是6。與η系間的方向余弦矩陣的真實值，可表示為：
[0051 ]
(14)
[0052] 巧是b/系與η系間的方向余弦矩陣，可表示為：
[0化3]
(")
[0化4] 將式（14)和（15)代入式（13)兩邊同時消去<^得：
[0化5]
(16)
[0056] 設(shè)ξχ和ξγ為b系和1/系之間的轉(zhuǎn)換的小角度偏差，則
[0057]
巧巧
[005引將式（1)和式（17)代入式（16)解得：
[0059]
(1巧
[0060] 靜基座下分別選取α(t) = 0和α(t) =31兩個時刻，從而解得：
[0061]
(19)
[0062] 則可根據(jù)式訪=好€；6對好進(jìn)行精確標(biāo)校。
[0063] 步驟六中所述初始對準(zhǔn)卡爾曼濾波器設(shè)計中系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程構(gòu)建方法 為：
[0064] 系統(tǒng)狀態(tài)方程構(gòu)建如下：
[00化]
巧巧
[0066] 式中，φη=[φΝ Φε Φο]τ代表失準(zhǔn)角，產(chǎn)表示η系下的比力值，ω;是η系的旋轉(zhuǎn)角 速率；
[0067] 根據(jù)系統(tǒng)誤差方程得到的系統(tǒng)狀態(tài)方程i = Fx + Gw中系統(tǒng)誤差矩陣F和系統(tǒng)噪聲 輸入矩陣G相應(yīng)為：
[0070] 卡爾曼濾波觀測方程構(gòu)建如下：
[0071] 觀測量z = [δVN δVD]τ，貝lJ在觀測方程z = Hx+u中：
[0072]
(巧）
[0073] υ = |>Ν 化化]Τ。 （24)
[0074] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0075] (1)在Ξ個巧螺Ξ個加速度計構(gòu)成的高精度激光巧螺恒速偏頻尋北系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 增加一個不隨偏頻機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的固定在基座上的機械抖動偏頻激光巧螺，改善偏頻軸方向載 體角速度測量精度，采用單軸恒速偏頻旋轉(zhuǎn)方式，避免了速率偏頻技術(shù)要求偏頻機構(gòu)瞬間 反轉(zhuǎn)的難點；
[0076] (2) W姿態(tài)角誤差、速度誤差、加速度計零偏、偏頻旋轉(zhuǎn)軸方向巧螺漂移和偏差禪 合造成的北向等效巧螺漂移為誤