CN100547352C - 适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法 - Google Patents

Abstract

适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，涉及一种划船补偿方法。它解决了在高动态环境或是高频率的振动环境中，划船效应对地速检测精度产生影响的问题。本发明通过在地速更新周期内，分别由比力信号和角速度信号获得载体相对于惯性坐标系的速度测量增量和角增量测量值，进而获得速度旋转项；同时通过比力信号和角速度信号的叉乘项拟和得到划船补偿项；由速度旋转项和划船补偿项计算更新周期内载体相对于惯性坐标系的速度增量，然后将获得的速度增量投影到导航坐标系n系中，在导航坐标系n系中计算重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量，最终通过惯性导航系统的基本方程计算得到地速值。本发明适合于载体处于高频振动或是高机动的情形。

Description

适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法。

背景技术

在捷联惯性导航系统中，包括两类关键的计算。其一就是更新载体姿态的计算，另一个则是更新载体地速(导航坐标系n系相对地球坐标系的速度值)的计算。在姿态更新计算中，如果存在载体角速度向量旋转的情形，就会引入圆锥误差。在更新载体地速的计算中，情况就更为复杂，因为，要获取载体的地速信息，就需要在导航参考坐标系中对比力信号进行积分，这个积分过程通常分两步进行：首先是将固联在载体系上的加速度计敏感的比力信号用该时刻的姿态方向余弦矩阵或四元数转换到导航参考坐标系中，然后在导航参考坐标系中对比力信号进行积分。由于捷联惯性导航系统中的加速度计是直接固联在载体上的，经历了载体的姿态角运动，所以，如果存在载体角速度向量旋转或比力向量旋转的情形，或是比力和角速度的大小不恒定的情形，都会引入不可交换性误差的常值漂移积分项，这就是速度划船效应。如果在地速检测过程中不仅比力信号的大小和方向发生了变化，而且姿态角速度的大小和方向也发生了变化，则此过程将引入划船效应误差，这使高质量地完成比力积分的两个步骤变得十分困难，要高质量地完成捷联惯性导航系统的比力积分，就需要高精度的加速度计和高性能的地速检测方法，而高精度的加速度计需要高水平的制造工艺使其成本增加，要想在提高捷联惯性导航系统的地速检测精度的前提下，还不增加系统成本，就需要尽量消除划船误差对地速检测的影响，即加入有效的划船补偿方法。

对于传统的划船补偿方法，思路是利用角增量、速度增量拟合出地速检测过程中的划船误差，这是建立在传统的惯性传感器输出为角增量、速度增量的基础上，传统方法可以直接使用。但是对于目前广泛使用的光纤陀螺捷联系统，光纤陀螺输出为角速度，石英加速度计输出为比力，使在传统方法中用到的角增量和速度增量不能直接获取的，传统方法的实用性出现问题。由角速度获得角增量，比力获得速度增量可以采取数值分析中的辛普森积分，其实质是对角速度和比力进行分段线性化，这种处理方式只有在采样周期足够短，并且角速度、比力矢量变化较慢时才可以使用。在高动态环境或是高频振动环境中，积分过程使传统划船补偿算法对于划船补偿项的计算出现偏差，即传统划船补偿方法的系数在角速度、比力输入时不再是最优。而目前广泛使用的二阶龙格库达(Lgkd)法可以直接利用比力信息进行地速检测，但对于划船误差没有补偿效果。在高动态环境中或是高频振动环境中，划船效应将严重影响地速检测的精度。

发明内容

为了解决在高动态环境或是高频率的振动环境中，划船效应对系统地速检测精度产生影响的问题，本发明提供了一种适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法。

适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，具体步骤如下：

步骤一、通过外部设备确定载体的位置参数和初始的地速值；

步骤二、捷联惯性导航系统进行初始对准，确定载体相对于导航坐标系n系的初始姿态；

步骤三、确定捷联惯性导航系统的地速更新周期H＝t_m-t_m-1，所述地速更新周期H等于划船补偿周期；设置H为N倍的惯性传感器采样周期，所述N为大于0的整数；

步骤四、分别采集石英加速度计输出的比力信号f和光纤陀螺输出的角速度信号ω，计算获得载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

步骤五、由姿态更新算法可以得到地速更新周期H起始时刻的捷联姿态矩阵C_b ⁿ，通过C_b ⁿ将步骤四获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

转换到导航坐标系n系上的投影得到

步骤六、在导航坐标系n系上，计算地速更新周期H内重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

步骤七、根据惯性导航系统的基本方程，由步骤五获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在导航坐标系n系上的投影

和步骤六获得的重力加速度与哥氏加速度引起的速度增量

计算得到地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量；

步骤八、将步骤七获得的地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量与地速更新周期H初始时刻的地速值相加，更新得到H终止时刻的地速值v_m ⁿ。

所述步骤四中，计算获得载体相对惯性坐标系的速度的过程为：

步骤四一：在地速更新周期H内，对采集到的石英加速度计输出的比力信号f积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度测量增量v_m；

步骤四二：在地速更新周期H内，对采集到的光纤陀螺输出的角速度信号ω积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的角增量测量值θ_m；

步骤四三：通过角增量测量θ_m和速度测量增量v_m获得地速更新周期H内的速度旋转项

步骤四四：用地速更新周期H内的N+1个光纤陀螺和石英加速度计采样值的叉乘项拟和划船补偿项Δv_scul；

步骤四五：将步骤四一获得的速度测量增量v_m、步骤四三获得的速度旋转项

步骤四四获得的划船补偿项Δv_scul相加，获得地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度在载体坐标系b系上的投影

本发明的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法具有以下优点：

一、本发明的方法是以角速度、比力作为输入量，既是直接利用光纤陀螺和石英加速度计的输出，用角速度、比力表示地速的微分方程，以角速率和比力的叉乘项拟合划船误差项，进而消除划船效应对地速更新的影响。

二、本发明的方法避免了使用传统划船补偿方法在角速度、比力作为输入时，积分误差对于划船补偿项的影响，又对高频振动和高动态环境中的划船误差予以补偿。

三、本发明的方法在不增加系统成本的情况下，有效地提高了捷联惯性导航系统的地速输出精度。

四、本发明的方法采用每N个采样周期计算一次地速增量，相对于传统的采用二阶龙格库达法的地速检测方法，在提高精度的同时，其地速的更新频率降低为原来的1/N，即计算频率降低为原来的1/N，从而减少了导航计算机的计算量，节约了导航计算机的有限资源。

本发明的方法尤其适合于载体处于高频振动或是高机动的情形。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为步骤四中通过比力信号和角速度信号获得载体相对于惯性坐标系的速度增量的流程图。

图3为典型划船环境中，分别采用本发明的方法、传统的划船补偿方法以及二阶龙格库达法获得的速度误差仿真曲线。典型划船环境定义为载体的两个正交轴存在同频且同相位的角振动和线振动。光纤陀螺和石英加速度计的采样频率为100Hz。

具体实施方式

本实施方式所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，具体步骤如下：

步骤一、通过外部设备确定载体的位置参数和初始的地速值；

步骤二、捷联惯性导航系统进行初始对准，确定载体相对于导航坐标系n系的初始姿态；

步骤三、确定地速更新周期H＝t_m-t_m-1，所述地速更新周期H等于划船补偿周期；设置H为N倍的惯性传感器采样周期，所述N为大于0的整数；

步骤四、分别采集石英加速度计输出的比力信号f和光纤陀螺输出的角速度信号ω，计算获得载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

步骤五、由姿态更新算法可以得到地速更新周期H起始时刻的捷联姿态矩阵C_b ⁿ，通过C_b ⁿ将步骤四中获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影转换到导航坐标系n系上的投影得到

步骤六、在导航坐标系n系上，计算地速更新周期H内重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

步骤七、根据惯性导航系统的基本方程，由步骤五获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在导航坐标系n系上的投影

和步骤六获得的重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量计算得到地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量；

步骤八、将步骤七获得的地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量与地速更新周期H初始时刻的地速值相加，更新得到H终止时刻的地速值v_m ⁿ。

所述步骤四中的计算获得载体相对于惯性坐标系的速度的过程参见图2所示，具体步骤为：

步骤四二：在地速更新周期H内，对采集到的石英加速度计输出的比力信号f积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度测量增量v_m；

步骤四三：在地速更新周期H内，对采集到的光纤陀螺输出的角速度信号ω积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的角增量测量值θ_m；

步骤四四：通过角增量测量θ_m和速度测量增量v_m获得地速更新周期H内的速度旋转项

步骤四五：地速更新周期H内，用N+1个光纤陀螺和石英加速度计采样值的叉乘项拟和划船补偿项；

步骤四六：将步骤四一获得的速度测量增量v_m、步骤四三获得的速度旋转项

步骤四四获得的划船补偿项Δv_scul相加，获得计算地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度及其在载体坐标系b系上的投影

在步骤一中所述的载体的位置参数由GPS装置或者是外部的高精度组合导航设备提供，所述载体的初始速度由DVL多普勒计程仪或者是外部的高精度组合导航设备提供。

在步骤四一中，通过对石英加速度计输出比力信号f进行积分得到速度测量增量v_m：

$v_m={\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{fdt}.---\left(1\right)$

在步骤四二中，通过对光纤陀螺输出的角速度信号ω进行积分得到测量角增量θ_m：

${\mathrm{\θ}}_m={\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{\ωdt}.---\left(2\right)$

在步骤四三中所述的速度旋转项

是速度旋转效应补偿量，由速度测量增量v_m和测量角增量θ_m获得：

$\mathrm{\Δ}{v}_{{\mathrm{rot}}_m}=\frac{1}{2}{\mathrm{\θ}}_m\×v_m=\frac{1}{2}{\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{\ωdt}\×{\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{fdt}.---\left(3\right)$

在步骤四四中所述的划船补偿项

是动态积分项，是非惯性可测项，由采集到的石英加速度计输出比力信号f和光纤陀螺输出的角速度信号ω获得：

在步骤四五中所述的载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

是由比力加速度引起，由步骤四一、步骤四三和步骤四四的结果获得：

$\mathrm{\Δ}{v}_{S_m}^b=v_m+\mathrm{\Δ}{v}_{{\mathrm{rot}}_m}+\mathrm{\Δ}{v}_{{\mathrm{scul}}_m}.---\left(5\right)$

在划船补偿方法的标准测试输入环境，即典型划船环境中，数值积分误差对载体相对于惯性系统坐标的速度测量增量v_m和速度旋转项

的计算不产生积累误差，只会造成划船补偿项的漂移误差，为了避免漂移误差的产生，在划船补偿项的计算公式中使用角速度ω和比力f的叉乘项进行拟和计算。

例如：当H＝2h的时候，采样3次光纤陀螺和石英加速度计输出值，划船补偿项

的离散计算为

$\mathrm{\Δ}{\hat{V}}_{\mathrm{scu}}=h^2[\frac{51}{80}\mathrm{\ω}\left(1\right)+\frac{39}{40}\mathrm{\ω}\left(2\right)]\×f\left(3\right)+h^2[\frac{51}{80}f\left(1\right)+\frac{39}{40}f\left(2\right)]\×\mathrm{\ω}\left(3\right),---\left(6\right)$

当H＝3h的时候，采样4次光纤陀螺和石英加速度计输出值，

的离散计算为

$\mathrm{\Δ}{\hat{V}}_{\mathrm{scu}}=h^2[\frac{232}{315}\mathrm{\ω}\left(1\right)+\frac{136}{315}\mathrm{\ω}\left(2\right)+\frac{712}{315}\mathrm{\ω}\left(3\right)]\×f\left(4\right)---\left(7\right)$

$+h^2[\frac{232}{315}f\left(1\right)+\frac{136}{315}f\left(2\right)+\frac{712}{315}f\left(3\right)]\×\mathrm{\ω}\left(4\right)$

在地速更新周期H内，划船补偿方法所使用的惯性传感器采样数越多，划船补偿方法的输出精度就越高。

在步骤五中，根据所述捷联矩阵C_b ⁿ可由姿态更新获得，利用C_b ⁿ将步骤四中获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量转换到导航坐标系n系中获得

为：

$\mathrm{\Δ}{v}_{S_m}^n=C_b^n\mathrm{\Δ}{v}_{S_m}^b.---\left(8\right)$

在步骤六中重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

为

$\mathrm{\Δ}{v}_{G/{\mathrm{Cor}}_m}^n={\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}[g_P^n-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n+{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n)\×v^n]\mathrm{dt},---\left(9\right)$

其中g_P ⁿ为重力，ω_en ⁿ为位置角速度，ω_ie ⁿ为地球转速。在地速更新周期H内纬度只有微小的变化，位置角速度和地球转速的变化量都是小量，所以把它们在地速更新周期H内的平均值代入进行离散数字计算，

$\mathrm{\Δ}{v}_{G/{\mathrm{Cor}}_m}^n=\mathrm{\Δ}{v}_{G/{\mathrm{Cor}}_{m-1}}^n+[\stackrel{\‾}{g_P^n}-(2\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n})\×\stackrel{\‾}{v^n}]H---\left(10\right)$

其中 $\stackrel{\‾}{g_P^n}=\frac{1}{2}(g_{m-1}+g_m),$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n}=\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{ie}}_{m-1}}+{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{ie}}_m}),$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^n}=\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{en}}_{m-1}}+{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{en}}_m}),$ $\stackrel{\‾}{v^n}=\frac{1}{2}(v_{m-1}+v_m).$

在步骤八中，选取地理坐标系作为导航坐标系n系，由惯性导航系统的基本方程，地速变化率为：

${\stackrel{\·}{v}}^n=C_b^n{f}^b+g_P^n-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n+{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n)\×v^n---\left(11\right)$

导航计算机中，对地速进行离散递推计算

$v_m^n=v_{m-1}^n+\mathrm{\Δ}{v}_{S_m}^n+\mathrm{\Δ}{v}_{G/{\mathrm{Cor}}_m}^n---\left(12\right)$

得到地速更新周期终止时刻的地速值，完成地速的更新。

其中地速的初始值v_m-1 ⁿ由上一个地速更新周期计算给出；载体相对于惯性坐标系的速度在导航坐标系n系的投影

由步骤五获得。

Claims (7)

1、适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，具体步骤如下：

步骤一、通过外部设备确定载体的位置参数和初始的地速值；

步骤二、捷联惯性导航系统进行初始对准，确定载体相对于导航坐标系n系的初始姿态；

步骤三、确定地速更新周期H＝t_m-t_m-1，所述地速更新周期H等于划船补偿周期；设置H为N倍的惯性传感器采样周期；

步骤四、分别采集石英加速度计输出的比力信号f和光纤陀螺输出的角速度信号ω，计算获得载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

步骤五、由姿态更新算法可以得到地速更新周期H起始时刻的捷联姿态矩阵C_b ⁿ，通过C_b ⁿ将步骤四获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影

转换到导航坐标系n系上的投影得到

步骤六、在导航坐标系n系上，计算地速更新周期H内重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

步骤七、根据惯性导航系统的基本方程，由步骤五获得的载体相对于惯性坐标系的速度增量在导航坐标系n系上的投影

和步骤六获得的重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

计算地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量；

步骤八、将步骤七获得的地速更新周期H内导航坐标系n系相对地球坐标系的速度增量与地速更新周期H初始时刻的地速值相加，更新得到地速更新周期H终止时刻的地速值v_m ⁿ，

其特征在于，所述步骤四中的计算获得载体相对于惯性坐标系的速度的过程为：

步骤四一：在地速更新周期H内，对采集到的石英加速度计输出的比力信号f积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度测量增量v_m；

步骤四二：在地速更新周期H内，对采集到的光纤陀螺输出的角速度信号ω积分得到地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的角增量测量值θ_m；；

步骤四三：通过角增量测量θ_m和速度测量增量v_m获得地速更新周期H内的速度旋转项

步骤四四：地速更新周期H内，用N+1个光纤陀螺和石英加速度计采样值的叉乘项拟和划船补偿项；

步骤四五：将步骤四一获得的速度测量增量v_m、步骤四三获得的速度旋转项

步骤四四获得的划船补偿项Δv_scul相加，获得计算地速更新周期H内载体相对于惯性坐标系的速度及其在载体坐标系b系上的投影

所述N为大于0的整数。

2、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤一中所述的载体的位置参数由GPS装置或者是外部的高精度组合导航设备提供，所述载体的初始速度由DVL多普勒计程仪或者是外部的高精度组合导航设备提供。

3、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤四三中所述的速度旋转项是速度旋转效应补偿量，由速度测量增量v_m和测量角增量θ_m获得： ${\mathrm{\Δv}}_{{\mathrm{rot}}_m}=\frac{1}{2}{\mathrm{\θ}}_m\×v_m=\frac{1}{2}{\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{\ωdt}\×{\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}\mathrm{fdt}.$

4、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤四四中所述的划船补偿项

是动态积分项，是非惯性可测项，由采集到的石英加速度计输出比力信号f和光纤陀螺输出的角速度信号ω获得：

5、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤四五中所述的载体相对于惯性坐标系的速度增量在载体坐标系b系上的投影是由比力加速度引起，由步骤四一、步骤四三和步骤四四的结果获得： ${\mathrm{\Δv}}_{S_m}^b=v_m+{\mathrm{\Δv}}_{{\mathrm{rot}}_m}+{\mathrm{\Δv}}_{{\mathrm{scul}}_m}.$

6、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤六中重力加速度和哥氏加速度引起的速度增量

为 ${\mathrm{\Δv}}_{G/{\mathrm{Cor}}_m}^n={\∫}_{t_{m-1}}^{t_m}[g_P^n-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n)\×v^n]\mathrm{dt},$ 其中g_P ⁿ为重力，ω_en ⁿ为位置角速度，ω_ie ⁿ为地球转速，在地速更新周期H内由离散数字计算获得

${\mathrm{\Δv}}_{G/\mathrm{Co}{r}_m}^n={\mathrm{\Δv}}_{{G/\mathrm{Cor}}_{m-1}}^n+[\stackrel{\‾}{g_P^n}-(2\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n})\×\stackrel{\‾}{v^n}]H,$ 其中 $\stackrel{\‾}{g_P^n}=\frac{1}{2}(g_{m-1}+g_m),$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n}=\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{ie}}_{m-1}}+{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{ie}}_m}),$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n}=\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{en}}_{m-1}}+{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{en}}_m}),$ $\stackrel{\‾}{v^n}=\frac{1}{2}(v_{m-1}+v_m).$

7、根据权利要求1所述的适合于光纤陀螺捷联惯性导航系统的地速检测方法，其特征在于，在步骤八中，选取地理坐标系作为导航坐标系n系，由惯性导航系统的基本方程，地速的变化率为： ${\stackrel{\·}{v}}^n=C_b^n{f}^b+g_P^n-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n)\×v^n,$ 导航计算机中，对地速进行离散递推，获得地速值v_m ⁿ为 $v_m^n=v_{m-1}^n+{\mathrm{\Δv}}_{S_m}^n+{\mathrm{\Δv}}_{G/{\mathrm{Cor}}_m}^n.$

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