一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法，其步驟為：選取混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差變量與導(dǎo)航誤差方程并設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)策略，然后將混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)通電預(yù)熱，在完成粗對準(zhǔn)后按預(yù)定策略控制框架旋轉(zhuǎn)同時(shí)開始導(dǎo)航，記錄導(dǎo)航誤差，將速度誤差與位置誤差作為量測，通過卡爾曼濾波對混合式慣導(dǎo)的誤差參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了混合式慣導(dǎo)的誤差自標(biāo)定。本發(fā)明提出了混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則，確保全部誤差參數(shù)均能得到標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)在了不拆機(jī)的情況下對陀螺漂移、加計(jì)零偏、刻度系數(shù)誤差、安裝偏角等誤差參數(shù)的自標(biāo)定，標(biāo)定精度完全能滿足系統(tǒng)要求，經(jīng)過自標(biāo)定后混合式慣導(dǎo)的性能得到了大幅提升。
【專利說明】
一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種集平臺(tái)式、捷聯(lián)式和旋轉(zhuǎn)式慣性系統(tǒng)各自特點(diǎn)于一身的混合式慣 導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法，屬于混合式慣性導(dǎo)航誤差標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，適用于標(biāo)定混合式慣導(dǎo)系 統(tǒng)中的誤差參數(shù)，特別適合要求慣導(dǎo)系統(tǒng)在不拆機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)誤差自標(biāo)定的應(yīng)用場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣導(dǎo)系統(tǒng)通過正交安裝的三軸陀螺儀和加速度計(jì)組成慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU)來測量載體相對于空間的角速度和加速度，并基于航位推算原理 給出載體實(shí)時(shí)的位置、速度和姿態(tài)信息。慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度很大程度上取決于陀螺和加 速度計(jì)的精度，因此慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差參數(shù)標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)其高精度導(dǎo)航的重要前提。
[0003] 傳統(tǒng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)都需要從運(yùn)載體上拆下慣導(dǎo)系統(tǒng)，利用精密轉(zhuǎn)臺(tái)或 者六面體等工裝實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)誤差參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。由于陀螺漂移、加速度計(jì)零偏以及其他誤 差參數(shù)都會(huì)時(shí)間發(fā)生慢變，因此高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)必須要進(jìn)行周期性的標(biāo)定才能確保其使用 精度，然而定期拆裝標(biāo)定會(huì)耗時(shí)較長且標(biāo)定工作量大，同時(shí)地面測試設(shè)備有很高的要求。
[0004] 混合式慣導(dǎo)是一種集平臺(tái)式、捷聯(lián)式、旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)各自優(yōu)點(diǎn)于一體的新型慣 導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將隔離載體角運(yùn)動(dòng)的"物理平臺(tái)"與借助捷聯(lián)算法構(gòu)建的"數(shù)學(xué)平臺(tái)"相結(jié) 合，還具備通過旋轉(zhuǎn)調(diào)制抑制慣性器件誤差的功能。在混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)引入了旋轉(zhuǎn)框架并 且使用高精度光柵作為軸角傳感器，通過自身的框架旋轉(zhuǎn)即可對誤差參數(shù)實(shí)現(xiàn)不拆機(jī)情況 下的自標(biāo)定，能免去對地面標(biāo)定設(shè)備的需求，大大減少了系統(tǒng)日常維護(hù)工作量，還可放寬對 慣性器件長期穩(wěn)定性的要求，可使系統(tǒng)的實(shí)用性和可維護(hù)性上一個(gè)檔次。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法，可以實(shí)現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在不拆機(jī) 的情況下對陀螺漂移、加計(jì)零偏、刻度系數(shù)誤差、安裝偏角等誤差參數(shù)的自標(biāo)定，標(biāo)定精度 完全能滿足系統(tǒng)要求，而且經(jīng)過自標(biāo)定后混合式慣導(dǎo)的性能得到了大幅提升，體現(xiàn)出較高 的工程應(yīng)用價(jià)值。該混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法采用系統(tǒng)級標(biāo)定方案，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng) 的框架按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)策略進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，通過自標(biāo)定過程中導(dǎo)航解算得到的導(dǎo)航誤差與最 優(yōu)估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。
[0006] 本發(fā)明的解決技術(shù)方案:一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法，步驟如下：
[0007] 步驟(1):選取混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差變量與導(dǎo)航誤差方程；
[0008] 步驟(2):根據(jù)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)合理的框架旋轉(zhuǎn) 路徑，確保全部誤差參數(shù)均能得到標(biāo)定；
[0009] 步驟(3):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行通電預(yù)熱，在框架鎖定的狀態(tài)下進(jìn)行粗對準(zhǔn)；
[0010] 步驟(4):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)按照步驟(2)設(shè)計(jì)好的旋轉(zhuǎn)策略控制框架旋轉(zhuǎn)，同時(shí)系 統(tǒng)開始導(dǎo)航，記錄整個(gè)過程中的速度誤差和位置誤差；
[0011] 步驟(5):以混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在自標(biāo)定過程中的速度誤差和位置誤差作為量測變 量，以要標(biāo)定的誤差參數(shù)作為狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波對狀態(tài)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，從而實(shí) 現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。
[0012] 本發(fā)明的原理如下：
[0013] 混合式慣導(dǎo)是一種集平臺(tái)式、捷聯(lián)式、旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)各自優(yōu)點(diǎn)于一體的新型慣 導(dǎo)系統(tǒng)，圖2給出了一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中主要包括頂U(kuò)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)框架， 頂U(kuò)包括3個(gè)陀螺和3個(gè)加速度計(jì)以及相關(guān)信號處理電路，3個(gè)旋轉(zhuǎn)框架從內(nèi)到外依次被稱為 內(nèi)框(方位）、中框(俯仰)和外框(橫滾），在每個(gè)框架旋轉(zhuǎn)軸上分別安裝高精度光柵和力矩 電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)框架的旋轉(zhuǎn)控制。
[0014] 混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要誤差包括陀螺漂移^，、，^，加計(jì)零偏^^^"^^陀螺的 刻度系數(shù)誤差厶1^，八1^，八1^，加計(jì)的刻度系數(shù)誤差厶1^，厶1^，厶1^，以及陀螺加計(jì)的 安裝偏角 aay，δ3Ζγ，δ3Ζχ，agx，agy，0g X，Pgy，δ8ζΥ，δ8Ζχ(安裝偏角的定義如圖2所不）。本發(fā)明提出 的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法采用系統(tǒng)級標(biāo)定方案，將上述誤差作為狀態(tài)變量，將導(dǎo)航 誤差作為量測變量，通過卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)混合式誤差自標(biāo)定。
[0015] 在設(shè)計(jì)混合式慣導(dǎo)自標(biāo)定的旋轉(zhuǎn)策略之前，需要首先明確自標(biāo)定過程中旋轉(zhuǎn)策略 的設(shè)計(jì)原則，這樣才能對旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)提供約束和保障，確?；旌鲜綉T導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)誤 差都是可觀測的，通過卡爾曼濾波進(jìn)行估計(jì)時(shí)都能得到較好的估計(jì)效果?；旌鲜綉T導(dǎo)系統(tǒng) 自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則有如下三條：
[0016] ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則1:自標(biāo)定過程需包含繞每個(gè)陀螺的正反旋轉(zhuǎn)
[0017] 假設(shè)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)沿東北天放置，以ζ陀螺指天時(shí)方位正反轉(zhuǎn)為例對原則一進(jìn) 行分析。在這一轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，令ω ζ表示繞ζ陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，朽表示轉(zhuǎn)角，則每個(gè)陀螺在 轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角速度輸出可由公式（1)至公式(3)表示，其中ω表示陀螺的輸出，其上標(biāo)+表 示正轉(zhuǎn)過程，-表示反轉(zhuǎn)過程。
[0018]
[0019]
[0020]
[0021 ]其中ω ie3表示地球自轉(zhuǎn)角速度，L表示當(dāng)?shù)氐臒樁取?br>[0022]從公式（1)可以看出，地球自轉(zhuǎn)角速度分量在正反轉(zhuǎn)一周的過程中的平均影響為 零，β8Χωζ的影響類似于陀螺漂移^，但是由于正反轉(zhuǎn)過程中ωζ的符號不同，因此可 以分離，因此也就能夠得到標(biāo)定;公式(2)與之類似，通過繞ζ陀螺的正反轉(zhuǎn)同樣可以標(biāo)定e y 和i3gy;公式(3)中可以看出Akgz在正反轉(zhuǎn)過程的影響不同于εζ和地球自轉(zhuǎn)角速度分量，因而 Akgz也可得到標(biāo)定。
[0023]可見在混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在繞ζ陀螺正反轉(zhuǎn)的過程中，可以估計(jì)得到兩個(gè)陀螺漂移、 兩個(gè)陀螺安裝偏角和一個(gè)陀螺刻度系數(shù)誤差，繞X陀螺或y陀螺進(jìn)行正反轉(zhuǎn)時(shí)的情況類似這 里不再給出，可見如果自標(biāo)定方案包括了繞每個(gè)陀螺的正反旋轉(zhuǎn)，則三個(gè)陀螺的漂移、刻度 系數(shù)誤差及安裝偏角都能夠得到標(biāo)定。
[0024] ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則2:自標(biāo)定過程需包含每個(gè)加速度計(jì)指天指地過程
[0025] 以X加速度計(jì)指天指地為例對原則二進(jìn)行分析，在這一過程中，每個(gè)加速度計(jì)的比 力輸出可由公式(4)至公式(6)表示，其中f表示加速度計(jì)的輸出，其上標(biāo)u表示指天，d表示 指地：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]其中g(shù)表示當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?br>[0030]從公式(4)可以看出，在X加速度計(jì)指天和指地時(shí)由于的加速度激勵(lì)相反，因 與Akax的影響也相反，從而X加計(jì)零偏％和刻度系數(shù)誤差A(yù)kJ卩可得到估計(jì);類似的，根 據(jù)公式(5)和(6)可以看出，▽,、▽^ aadPSazY也能夠在這一過程中得到估計(jì)。因此在X加計(jì) 指天指地的過程中可以估計(jì)得到三個(gè)加計(jì)的零偏、兩個(gè)加計(jì)安裝偏角和一個(gè)加計(jì)刻度系數(shù) 誤差，y加計(jì)或z加計(jì)指天指地的情況類似這里不再給出，可見如果自標(biāo)定方案包括了繞每 個(gè)加速度計(jì)指天指地過程，則三個(gè)加計(jì)的零偏、刻度系數(shù)誤差及安裝偏角都能夠得到標(biāo)定。 [0031] ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則3:為了更好估計(jì)與陀螺相關(guān)的誤差參數(shù)，標(biāo)定過程中繞陀 螺正反轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸最好在水平面內(nèi)。
[0032]以繞z陀螺正反轉(zhuǎn)為例對這一原則進(jìn)行分析。如果繞z陀螺正反轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸指天， 則z陀螺漂移和Z陀螺刻度系數(shù)誤差主要引起系統(tǒng)的航向誤差，進(jìn)而由航向誤差逐漸累積引 起水平方向的錯(cuò)誤分解，從而對水平的速度位置造成影響，可見這時(shí)與Z陀螺相關(guān)的誤差參 數(shù)對導(dǎo)航結(jié)果的影響是緩慢的，如果要對這些誤差進(jìn)行標(biāo)定勢必要延長自標(biāo)定時(shí)間；但是 當(dāng)Z陀螺指向水平時(shí)，相關(guān)的誤差參數(shù)的影響主要在水平方向，因而對速度位置等導(dǎo)航結(jié)果 的影響更加直接，也就增加了誤差參數(shù)的可觀測程度，從而降低混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定 時(shí)間。
[0033] 以上三個(gè)原則為設(shè)計(jì)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定的旋轉(zhuǎn)策略規(guī)定了一些必需的轉(zhuǎn)動(dòng) 方式，只要在設(shè)計(jì)的框架旋轉(zhuǎn)路徑中滿足以上三個(gè)原則，那么該旋轉(zhuǎn)方案就能確?；旌鲜?慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差都是可觀測的，通過導(dǎo)航誤差和卡爾曼濾波就能夠?qū)崿F(xiàn)對各項(xiàng)誤差的 估計(jì)，實(shí)現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：
[0035] (1)本發(fā)明針對混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)，提出了 一種適合混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法， 可通過混合式慣導(dǎo)自身的框架旋轉(zhuǎn)即可對陀螺漂移、加速度計(jì)零偏、刻度系數(shù)誤差、安裝偏 角等誤差參數(shù)實(shí)現(xiàn)不拆機(jī)情況下的自標(biāo)定，大大減少系統(tǒng)維護(hù)工作量，還可放寬對器件長 期穩(wěn)定性的要求，這將使混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)用性和可維護(hù)性大大提升。
[0036] (2)本發(fā)明提出了混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則，為設(shè)計(jì)混合式慣 導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定的旋轉(zhuǎn)策略規(guī)定了一些必需的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，只要在設(shè)計(jì)的框架旋轉(zhuǎn)路徑中滿足 以上三個(gè)原則，那么該旋轉(zhuǎn)方案就能確?；旌鲜綉T導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差都是可觀測的。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法實(shí)施的流程圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為外框光柵，2為 內(nèi)框電機(jī)，3為IMU，4為中框電機(jī)，5為中框光柵，6為中框，7為外框，8為內(nèi)框光柵，9為內(nèi)框， 10為外框電機(jī)；
[0039] 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU安裝偏角示意圖，其中，圖3(a)為 加計(jì)安裝偏角定義，圖3(b)為陀螺安裝偏角定義；
[0040] 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略，在圖4(a)中，混合式 慣導(dǎo)系統(tǒng)繞中框進(jìn)行連續(xù)正反轉(zhuǎn)，內(nèi)框和外框均鎖定在0°;在圖4(b)中，系統(tǒng)繞外框連續(xù)正 反轉(zhuǎn)，內(nèi)框和中框均鎖定在0° ;在圖4(c)中系統(tǒng)先繞中框轉(zhuǎn)動(dòng)90°使得內(nèi)框軸處在水平面 內(nèi)，然后中框鎖定在90°，外框鎖定在0°，系統(tǒng)繞內(nèi)框進(jìn)行連續(xù)正反轉(zhuǎn)；
[0041] 圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)通過自標(biāo)定結(jié)果補(bǔ)償后的速度誤差與 未補(bǔ)償?shù)乃俣日`差對比圖；
[0042] 圖6為本發(fā)明具體實(shí)施例的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)通過自標(biāo)定結(jié)果補(bǔ)償后的位置誤差與 未補(bǔ)償?shù)奈恢谜`差對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步介紹。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明的一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法，包括如下步驟：
[0045] 步驟1:選取混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差變量與導(dǎo)航誤差方程。
[0046] 混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以用多種慣性器件來實(shí)現(xiàn)，并且根據(jù)應(yīng)用場合的不同，物 理平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上也可以有三軸、雙軸、單軸等多種實(shí)現(xiàn)形式，下面以三軸混合式慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)為例來闡述本發(fā)明的具體實(shí)施過程。圖2給出了某型光纖陀螺三軸混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖，其中主要包括MU和3個(gè)旋轉(zhuǎn)框架，頂U(kuò)包括3個(gè)陀螺和3個(gè)加速度計(jì)以及相關(guān)信號 處理電路，3個(gè)旋轉(zhuǎn)框架從內(nèi)到外依次被稱為內(nèi)框(方位）、中框(俯仰)和外框(橫滾），在每 個(gè)框架旋轉(zhuǎn)軸上分別安裝高精度光柵和力矩電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)框架的旋轉(zhuǎn)控制。
[0047] 在混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)性能的誤差參數(shù)包括陀螺漂移、加計(jì)零偏、陀螺與 加計(jì)的刻度系數(shù)誤差，以及陀螺和加計(jì)的安裝偏角等。為了描述混合式慣導(dǎo)中的安裝偏角， 需要定義以下幾個(gè)坐標(biāo)系：
[0048] ?陀螺坐標(biāo)系(g系）：頂U(kuò)中三個(gè)陀螺的敏感軸確定的坐標(biāo)系；
[0049] ?加計(jì)坐標(biāo)系(a系）：頂U(kuò)中三個(gè)加速度計(jì)的敏感軸確定的坐標(biāo)系；
[0050] ?敏感軸坐標(biāo)系（s系）：xs軸為X加計(jì)的敏感軸，ys軸為y加計(jì)在1 3的法平面內(nèi)的投 影，zs軸通過右手定則確定。
[0051] 混合式慣導(dǎo)中陀螺或加計(jì)的安裝偏角誤差即可用S系與g系（或a系）的偏差來表 示，如圖3所示，陀螺的安裝偏角包括agx，agy，β8Χ，0 gy，δ8ζΥ，δ8ζΧ，加計(jì)的安裝偏角包括aay， δ3ζΥ，δ3ζΧ。此外，混合式慣導(dǎo)的誤差還應(yīng)包括三個(gè)陀螺的漂移εχ， εγ，εζ，三個(gè)加計(jì)的零偏 三個(gè)陀螺的刻度系數(shù)誤差A(yù)kgX，Ak gy，AkgZ以及三個(gè)加計(jì)的刻度系數(shù)誤差Λ kax，Akay，Ak az，以上即為混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)要標(biāo)定的誤差變量。
[0052]混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的自標(biāo)定使用速度誤差和位置誤差作為量測信息，由于自標(biāo)定過 程是在靜基座條件下進(jìn)行，因此導(dǎo)航誤差方程使用慣導(dǎo)系統(tǒng)靜基座誤差方程，如下所示：
[0053]
[0054] 其中Φε, Φν, Φυ為東向、北向、天向平臺(tái)偏角，δνΕ，δνΝ，δνυ為東向、北向、天向速度 誤差，δ?，δλ，δ?!為煒度、經(jīng)度、高度誤差。 εΕ，εΝ，ευ表示等效的東向、北向、天向陀螺漂移， Vi?，V#，▽[/表示等效的東向、北向、天向加計(jì)零偏，其表達(dá)式分別為：
[0055]
[0056]
[0057] 其中表示三個(gè)陀螺的角速度輸出，/三個(gè)加計(jì)的比力輸出， 表示s系到η系（導(dǎo)航坐標(biāo)系，本發(fā)明實(shí)例選取東-北-天為導(dǎo)航坐標(biāo)系）的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣， 可通過陀螺的輸出與四元數(shù)算法更新得到。將公式(8)與公式(9)代入公式(7)即可得到完 整的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程，而自標(biāo)定過程中的狀態(tài)變量定義為：
[0058]
[0059] 步驟(2):根據(jù)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)合理的框架旋轉(zhuǎn) 路徑，確保全部誤差參數(shù)均能得到標(biāo)定。
[0060] 根據(jù)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則可設(shè)計(jì)一種具體的混合式慣導(dǎo) 系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略，如圖4所示。本發(fā)明具體實(shí)施例的自標(biāo)定方案主要包括三個(gè)步驟，在 步驟(a)中，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)繞中框進(jìn)行連續(xù)正反轉(zhuǎn)，內(nèi)框和外框均鎖定在0°;在步驟(b) 中，系統(tǒng)繞外框連續(xù)正反轉(zhuǎn)，內(nèi)框和中框均鎖定在0° ;在步驟(c)中系統(tǒng)先繞中框轉(zhuǎn)動(dòng)90°使 得內(nèi)框軸處在水平面內(nèi)，然后中框鎖定在90°，外框鎖定在0°，系統(tǒng)繞內(nèi)框進(jìn)行連續(xù)正反轉(zhuǎn)。 在自標(biāo)定過程中，混合式慣導(dǎo)框架轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為6°/s，每個(gè)步驟進(jìn)行5個(gè)正反轉(zhuǎn)。
[0061] 步驟(3):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行通電預(yù)熱，在框架鎖定的狀態(tài)下進(jìn)行粗對準(zhǔn)。
[0062] 混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在靜止環(huán)境下進(jìn)行通電預(yù)熱，在完成初始化后各框架在零位鎖定 5分鐘，此時(shí)混合式慣導(dǎo)進(jìn)行解析粗對準(zhǔn)，獲得系統(tǒng)初始姿態(tài)。
[0063] 步驟(4):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)按照步驟(2)設(shè)計(jì)好的旋轉(zhuǎn)策略控制框架旋轉(zhuǎn)，同時(shí)系 統(tǒng)開始導(dǎo)航，記錄整個(gè)過程中的速度誤差和位置誤差。
[0064] 混合式慣導(dǎo)結(jié)束粗對準(zhǔn)后即進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)，同時(shí)框架開始旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入自標(biāo)定 流程，采集東向、北向、天向速度與經(jīng)度、煒度、高度輸出，由于自標(biāo)定在靜基座條件下展開， 因此速度輸出即為速度誤差，位置輸出扣除初值即為位置誤差，由此即可計(jì)算量測變量：
[0065] Ζ=[δνΕ δνΝ δνυ SL δλ Sh]T (11)
[0066] 步驟(5):以混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在自標(biāo)定過程中的速度誤差和位置誤差作為量測變 量，以要標(biāo)定的誤差參數(shù)作為狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波對狀態(tài)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，從而實(shí) 現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。
[0067] 狀態(tài)變量X的選取如公式（10)所示，量測變量Z的選取如公式（11)所示，進(jìn)而可以 通過卡爾曼濾波對狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。
[0068] 利用圖2所示的某型光纖陀螺三軸混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在上述條件下進(jìn)行了自標(biāo)定實(shí) 驗(yàn)，得到的誤差標(biāo)定結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示?；旌鲜綉T導(dǎo)系統(tǒng)在5次自標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，陀螺漂 移的標(biāo)定精度優(yōu)于〇. 005° /h，加速度計(jì)零偏的標(biāo)定精度優(yōu)于2ug，陀螺和加速度計(jì)的刻度系 數(shù)誤差優(yōu)于6ppm，安裝偏角的標(biāo)定精度優(yōu)于2〃，各項(xiàng)誤差參數(shù)標(biāo)定結(jié)果的重復(fù)性較高，證明 了本發(fā)明的有效性。
[0069] 表1混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0070]
[0071]
[0072] 為了進(jìn)一步證明標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以將表1的標(biāo)定結(jié)果對自標(biāo)定過程中的導(dǎo) 航誤差進(jìn)行補(bǔ)償。圖5給出了表1中第5次自標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的東向、北向、天向速度誤差，圖6給出 了表1中第5次自標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的經(jīng)度、煒度、高度誤差，從兩圖中可以看出，速度誤差補(bǔ)償前最 大可達(dá)4m/s，經(jīng)過補(bǔ)償后均優(yōu)于0.2m/s，位置誤差補(bǔ)償前最大超過4000m，經(jīng)過補(bǔ)償后均優(yōu) 于100m，這就驗(yàn)證了表1中的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差參數(shù)的自標(biāo)定結(jié)果是準(zhǔn)確有效的，經(jīng)過補(bǔ) 償后導(dǎo)航性能得到了顯著提升。
[0073] 本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0074] 盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù) 人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟(1):選取混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差變量與導(dǎo)航誤差方程； 步驟（2):根據(jù)混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)合理的框架旋轉(zhuǎn)路 徑，確保全部誤差參數(shù)均能得到標(biāo)定； 步驟(3):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行通電預(yù)熱，在框架鎖定的狀態(tài)下進(jìn)行粗對準(zhǔn)； 步驟(4):混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)按照步驟(2)設(shè)計(jì)好的旋轉(zhuǎn)策略控制框架旋轉(zhuǎn)，同時(shí)系統(tǒng)開 始導(dǎo)航，記錄整個(gè)過程中的速度誤差和位置誤差； 步驟(5):以混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)在自標(biāo)定過程中的速度誤差和位置誤差作為量測變量，以 要標(biāo)定的誤差參數(shù)作為狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波對狀態(tài)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)混 合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差自標(biāo)定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定方法，其特征在于:所述步驟(2) 的混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)自標(biāo)定旋轉(zhuǎn)策略的設(shè)計(jì)原則如下： ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則1:自標(biāo)定過程需包含繞每個(gè)陀螺的正反旋轉(zhuǎn)； ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則2:自標(biāo)定過程需包含每個(gè)加速度計(jì)指天指地過程； ?自標(biāo)定方案設(shè)計(jì)原則3:為了更好估計(jì)與陀螺相關(guān)的誤差參數(shù)，標(biāo)定過程中繞陀螺正 反轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸最好在水平面內(nèi)。
【文檔編號】G01C25/00GK105973271SQ201610591976
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發(fā)明人】李魁, 高鵬宇, 王瑋, 王蕾
【申請人】北京航空航天大學(xué)