CN101183004A - 一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法，它涉及的是一种捷联惯性导航系统的误差补偿方法，属于捷联惯性导航技术以及数据处理技术领域。本发明是为了解决现有的提高光纤陀螺捷联惯导系统导航精度的方法导致系统成本的增加、可靠性和系统自主性的降低等弊端。本发明的方法步骤如下：步骤a.利用惯性测量组件来感应载体的运动特性；步骤b.系统模块的初始化；步骤c.初始对准；步骤d.进行捷联解算；步骤e.引入舒拉振荡误差衰减环节；步骤f.引入地球自转振荡误差衰减环节；步骤g.使Y函数与H函数相配合；步骤h.修正方位；步骤i.导出惯性导航系统的基本方程；步骤j.根据机动状态选择系统状态；步骤k.输出导航参数。

Description

一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法

技术领域

本发明涉及一种捷联惯性导航系统的误差补偿方法，属于捷联惯性导航技术以及数据处理技术领域。

背景技术：

光纤陀螺捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System简称光SINS)是根据惯性定律，利用光纤陀螺仪，加速度计所感受的载体的相对于惯性空间的旋转角速率和比力，通过在计算机中经过相应的坐标变换，进行积分运算得到载体的姿态、速度和位置等导航参数。捷联惯性导航系统是一种自主式导航系统，它成本低廉、结构简单、可靠性好。在无阻尼捷联惯导系统中，陀螺漂移引起的姿态和航向以及速度的误差将随时间积累，并产生三种周期振荡：舒拉周期振荡、傅科周期振荡和地球周期振荡。积累误差和周期振荡是影响捷联惯导系统导航精度的主要因素。

光纤陀螺捷联惯性导航系统的制导精度主要取决于惯性器件的精度。光纤陀螺捷联惯性导航系统的精度在开始工作和较短的时间内是优良的。但是从初始对准之后，由于陀螺仪的漂移误差的积累，精度会随着时间的推移而降低。目前提高光纤陀螺捷联惯性导航系统的精度，主要采取两种技术进行改进：(1)采用更高精度的惯性器件；(2)采用制导误差不积累的外部参考信息对光纤陀螺捷联惯性导航系统进行修正。

上述两种方法都能够提高光纤陀螺捷联惯性导航系统的导航精度。但是采用更高精度的惯性器件，会成倍的增加系统的成本，这是许多应用领域所不能接受的。而目前国内自主研发的光纤陀螺的精度较之国外领先水平还有一段相当的距离。如果采用外部信息参考源，不仅会增加系统成本、降低系统的自主性，而且还会引入外部的干扰导致系统的可靠性降低。此外，在一些复杂的应用环境中无法使用有效的外部信息源。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的提高光纤陀螺捷联惯性导航系统的导航精度的方法不仅会增加系统的成本、降低系统的自主性，而且还会使系统的可靠性降低的问题，提供一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法。

本发明的技术解决方案为：一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法，通过加入一个周期振荡误差衰减环节变换结构，提高系统精度，它包含以下步骤：

步骤a、利用惯性测量组件来感应载体的运动特性：惯性测量组件通过光纤陀螺仪敏感运动载体沿其轴向的角速度信号，通过加速度计测量沿载体轴向的线加速度信号，并将信号传输给计算机；

步骤b、系统模块的初始化：光纤陀螺捷联惯性导航系统在静态条件下启动，首先进行系统的初始化，包括导航计算机硬件自检；接口扩展板的各个接口的初始化；对导航传感器信号的检测和控制显示器之间的通讯；相应状态的设置；

步骤c、在静基座下初始对准：光纤陀螺捷联惯性导航系统接收到外界给出的控制信号和初始信息后，采用二阶调平回路水平对准和罗经回路的精对准相结合的自对准方法；

步骤d、进行捷联解算：导航计算机对陀螺仪敏感的角速度信号进行捷联矩阵的更新运算，对姿态矩阵进行三角函数计算即提取出运动载体的姿态角和方位角，将加速度计所测量的线加速度信息由载体坐标系转换到地理坐标系，然后积分得到速度和位置等导航参数；

它还包含以下步骤：

步骤e、引入舒拉振荡误差衰减环节：单通道东向水平回路振荡衰减环节H_x(s)和单通道东向水平回路振荡衰减环节H_y(s)取值相同：

$H_x\left(s\right)=H_y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1)(s+{\mathrm{\ω}}_2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_3)(s+{\mathrm{\ω}}_4)}$

步骤f、引入地球自传振荡误差衰减环节：为了消除24小时的地球周期分量，又要考虑对舰船运动的敏感性尽可能的小，本方案将衰减环节只作用于计算的地球自转分量，在姿态矩阵的更新中，所用到的更新角速率如下式：

${\mathrm{\ω}}_x=-Y_x\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

步骤g、使Y函数与H函数相配合：通过代换H(s)的频率区域来实现Y(s)的设计：

$s\→\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{\mathrm{\Ω}}s$

由上式可以得到相应的

$Y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_5)(s+{\mathrm{\ω}}_6)}{(s+{\mathrm{\ω}}_7)(s+{\mathrm{\ω}}_8)}$

经过逐次尝试以确定阻尼网络的形式和参数Y(s)，求出下式：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]$

步骤h、修正方位：在稳态时满足下式：

$\underset{s\→0}{\lim }{Y}_x\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_y\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_z\left(s\right)=1$

衰减系数为0.5，确定取值如下A₁＝4.76e-5，A₂＝5.86e-3，A₃＝6.14e-5：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]=-\frac{A_1}{(s+A_2)(s+A_3)}$

步骤i、导出惯性导航系统的基本方程：

步骤j、根据机动状态选择系统状态：在捷联矩阵实时更新的过程中，利用加速度计的测量值变换到地理坐标系，进一步确定系统的加速运动情况，再确定系统当前所应当采取的状态；

步骤k、输出导航参数、导航计算机按照规定的格式和速率，将计算得到的导航参数传输给相应的显示仪器。

本发明的有益效果是：

(1)不增加任何硬件并且不改变硬件安装结构；

(2)具有完全的自主性，不受外界环境的影响，能全天候工作；

(3)能够有效地降低舒拉振荡误差，地球振荡误差对捷联惯导系统的影响，提高惯导系统的性能指标。在静态仿真实验中，新方案中的航向误差角比传统惯导方案中的航向误差角降低了49.2％，本发明的纵摇误差角比传统惯导方法中的纵摇误差角降低了67.7％，横摇误差角比传统惯导方法中的横摇误差角降低了66.6％；在海上航行试验中，本发明的航向误差角比传统惯导方法中的航向误差角降低了47.89％，纵摇误差角比传统惯导方法中的纵摇误差角降低了32.04％，横摇误差角比传统惯导方法中的横摇误差角降低了44.78％。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；图2是本发明的工作原理图，图3是单通道北向回路流程图；图4是加入振荡误差衰减环节后的控制流程图；图5是加入振荡误差衰减环节变换结构之后的控制流程图；图6是静态姿态角误差曲线图；图7是静态速度误差曲线图；图8是海上航行实验误差角加入振荡衰减环节前后的比对图；图9是海上航行实验误差角加入振荡衰减环节前后的比对图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图2和图4，本实施方式中的捷联惯性导航系统硬件组成与传统的捷联惯性导航系统硬件组成相同，具体方法包括以下步骤：

步骤a、利用三自由度的光纤陀螺和三自由度的石英加速度计组成的惯性测量组件(惯性测量组件)来感应载体的运动特性：惯性测量组件通过光纤陀螺仪敏感运动载体沿其轴向的角速度信号，通过加速度计测量沿载体轴向的线加速度信号，并将信号传输给计算机；

步骤b、系统模块的初始化：光纤陀螺捷联惯性导航系统一般应在静态条件下启动。首先进行系统的初始化，这包括导航计算机硬件自检，接口扩展板各个接口的初始化，对导航传感器信号的检测，和控制显示器之间的通讯，相应的状态设置；

步骤c、在静基座下初始对准：光纤陀螺捷联惯性导航系统接收到外界给出的控制信号和初始信息后，采用二阶调平回路水平对准和罗经回路的精对准相结合的自对准方法，如果有条件，还可以进行传递对准；

步骤d、进行捷联解算：导航计算机对陀螺仪敏感的角速度信号进行捷联矩阵的更新运算，对姿态矩阵进行三角函数计算即提取出运动载体的姿态角和方位角，将加速度计所测量的线加速度信息由载体坐标系转换到地理坐标系，然后积分得到速度和位置等导航参数；

步骤e、引入舒拉振荡误差衰减环节：单通道东向水平回路振荡衰减环节H_x(s)和单通道东向水平回路振荡衰减环节H_y(s)取值相同：

$H_x\left(s\right)=H_y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1)(s+{\mathrm{\ω}}_2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_3)(s+{\mathrm{\ω}}_4)}$

步骤f、引入地球周期振荡误差衰减环节：以上讨论了舒拉振荡误差的衰减方法，它是在舒拉回路中引入阻尼环节，使得惯导系统中舒拉周期振荡误差分量得到衰减，但是仍有地球周期振荡误差分量。由于傅科周期振荡调制舒拉周期振荡，所以随舒拉周期振荡误差的衰减而傅科周期振荡误差消失。而地球周期振荡误差主要表现在纬度误差和方位误差上。

更新捷联矩阵时，在载体的旋转角速率中包含两部分，一部分是计算的地球自转角速度在地理系上的分量，另一部分是计算的舰船速度所形成的角速度在地理坐标系上的分量。为了消除24小时的地球周期分量，又要考虑对舰船运动的敏感性尽可能的小，本方案将衰减环节只作用于计算的地球自转分量，此时，在姿态矩阵的更新中，所用到的更新角速率如下式：

${\mathrm{\ω}}_x=-Y_x\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

步骤g、使Y函数与H函数相配合：地球周期振荡的衰减环节的选取依据，基本上是相同于舒拉振荡的选取依据的，所以本方案设计Y的方法，是使Y与前面几个步骤中的H函数相配合。我们通过代换H(s)的频率区域来实现Y(s)的设计：

$s\→\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{\mathrm{\Ω}}s$

由上式可以得到相应的：

$Y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_5)(s+{\mathrm{\ω}}_6)}{Y(s+{\mathrm{\ω}}_7)(s+{\mathrm{\ω}}_8)}$

如果令经过逐次尝试来确定阻尼网络的形式和参数Y(s)，进而求出：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]$

步骤h、修正方位：在捷联惯导系统中，要求数学平台跟踪当地地理坐标系，这就要求经过方位修正以后的陀螺角速率信息在稳态的时候与不加该环节的时候相一致。所以要求在稳态时：

$\underset{s\→0}{\lim }{Y}_x\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_y\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_z\left(s\right)=1$

既要考虑能够较快的使地球周期振荡衰减下来，又要考虑对舰船运动的敏感性最小。通常取衰减系数为0.5左右。经过逐次尝试法，并在计算机上进行大量模拟，最后确定取值如下，A₁＝4.76e-5，A₂＝5.86e-3，A₃＝6.14e-5：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]=-\frac{A_1}{(s+A_2)(s+A_3)}$

骤i、导出惯导系统的基本方程：加入振荡误差衰减环节之后，此时的惯导系统的基本方程：

从上面的方程组可以看出，整个惯导系统的输入量有：加速度计所测得的沿载体坐标系的加速度f_bx，f_by ，f_bz，还有陀螺所测得的载体相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系上的投影ω_ibx，ω_iby，ω_ibz，地球的自转角速度Ω，重力加速度g。惯导系统的输出量为：计算的舰船速度分量V_cx，V_cy，计算的经纬度_c，λ_c，计算的姿态角和航向角。

步骤j、根据机动状态选择系统状态：在捷联矩阵实时更新的过程中，利用加速度计的测量值变换到地理坐标系，判断系统的加速运动的情况，再确定系统当前所应当采取的状态。

令f_nx，f_ny表示地理坐标系中的系统水平加速度，ξ为惯导系统振荡误差衰减系数。令f_max＝max(|f_nx|，|f_ny|)，M₁□M₅表示加速度的门限值，单位m/s²，则系统状态判断条件如下表所示：

载体机动状态判断

系统不同状态的选定

fmax＞M1	ξ＝0
		M1＞fmax＞M2	ξ＝0.1
M3＜fmax＜M2	ξ＝0.2
		M4＜fmax＜M3	ξ＝0.3
fmax＜M4	ξ＝0.5

步骤k、输出导航参数：导航计算机按照规定的格式和速率，将计算得到的导航参数传输给相应的显示仪器。

工作原理：利用光纤陀螺仪可以测量出舰船坐标系相对于惯性坐标系的角速度，从中减去计算的导航坐标系相对于惯性坐标系的角速度，这样就得到了舰船坐标系相对于平台坐标系的角速度。本算法根据系统的机动状态通过引入相应的振荡衰减环节，相当于适当的加入了修正角速度。利用该角速度进行姿态矩阵的计算，再从中提取航向和姿态信息。加速度计所测的信息通过姿态矩阵得到导航坐标系的加速度，积分得到速度和位置。

本实施方式经过具体的实验，其实验过程和得到的实验结果为：

(1)静态实验，陀螺的常值漂移为ε_b＝0.01°/h，加速度计的随机常值偏置为_b＝1×10^-4g，进行48小时的静态试验，将加入振荡衰减环节前后的姿态角误差，速度误差分别画在同一图中，如图6和图7所示。

(2)海上航行实验，陀螺的常值漂移为ε_b＝0.01°/h，加速度计的随机常值偏置为_b＝1×10^-4g，进行了海上3.5个小时的实船试验，同高精度惯导基准作差得到的姿态角误差对比曲线和速度对比曲线，如图8和图9所示。图9中“PHINS”是指法国高精度惯导系统的导航信息输出，以其为基准信息。

把静态实验和海上航行试验的数据经过处理总结如下：(下表中误差角均代表误差角的绝对值)

		航向误差角/度(RMS)	纵摇误差角/度(RMS)	横摇误差角/度(RMS)
					静态仿真(48小时)	传统的惯导方案	0.4435	0.0158	0.0162
新方案	0.2254	0.0051	0.0054
				海上试验		传统的惯导方案	0.5435	0.1286	0.1121
新方案	0.2832	0.0874	0.0619

具体实施方式二：参见图5，根据具体实施方式一所述，为了更好的简化

${\mathrm{\ω}}_x=-Y_x\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

结构和使用的方便，将步骤f中的式

化简为如下形式：

令Y_x(s)＝Y_y(s)＝Y_z(s)、 $W=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}(1-Y),$

${\mathrm{\ω}}_x=-\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

则有：

具体实施方式三：参见图3，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤e在单通道北向水平回路的舒拉回路中，于第一积分器后第二积分器前，加上串联的振荡误差衰减环节H_y(s)，当H_y(s)＝1时，捷联惯导系统处于无阻尼状态，这时加速度和速度对水平误差角并不产生影响，但其它干扰量都将对水平误差角产生振荡误差分量，周期为84.4分钟，即舒拉周期振荡，当H_y(s)不为1的时候，这时各项干扰量产生的水平倾角振荡误差将逐渐衰减下来，但对加速度以及速度产生导航参数的误差分量，我们所希望的是加入该环节之后，使振荡误差得到衰减，而又使H_y(s)接近于1，这样使得舰船的运动对系统的影响小一些，H_y(s)环节参数的选取一方面应该考虑减小由陀螺漂移的随机分量产生的误差均方根的值，另一方面又要使舰船对运动的敏感性最小。

当阻尼系数为0.5的时候，由陀螺漂移随机分量所产生的均方根值减小为无阻尼惯导系统的四分之一，而且当阻尼系数再增大的时候，陀螺漂移随机分量所产生的误差减小得并不明显，因此我们可以选取最大阻尼系数为0.5。由于舰船不同时间的机动性大小也不一样，所以可以根据机动性能的大小来选取不同的衰减参数。要使得惯导系统对舰船的运动敏感性最小，就得使H_y(s)接近于1，因为当H_y(s)＝1时，系统变为无阻尼系统的缘故。另外，H_y(s)不等于1的时候，等效于在捷联矩阵更新的时候引入了控制角速率，使得计算地理坐标系即“数学平台”无法跟踪地理坐标系，失去了指北半解析式惯导系统的意义，这也要求H_y(s)＝1，特别是稳态时更为重要。选择该网络还要保证系统的稳定性。要保证系统的稳定性，H_y(s)必须在舒拉角频率附近提供正的相移，这个区域以外的H_y(s)的变化情况对稳定性问题不是特别重要。

根据以上的选择原则，由逐次尝试法来确定该环节的形式和参数。为了既能满足要求，又使网络形式不至于太复杂，我们选取如下的网络形式(单通道东向水平回路振荡衰减环节H_x(s)和单通道东向水平回路振荡衰减环节H_y(s)取值相同)：

$H_x\left(s\right)=H_y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1)(s+{\mathrm{\ω}}_2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_3)(s+{\mathrm{\ω}}_4)}$

在选取不同的振荡衰减系数时，经过逐次尝试，可以得到所对应参数的取值如下表所示：

	ω1	ω2	ω3	ω4
					ξ＝0.5	8.5e-4	9.5e-3	8.0e-3	1.0e-2
ξ＝0.3	1.157e-3	1.273e-2	3.319e-3	3.652e-2
					ξ＝0.2	1.371e-3	1.513e-2	2.865e-3	3.16e-2
ξ＝0.1	1.584e-3	1.752e-2	2.4121e-3	2.668e-2

Claims (2)

1.一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法，它包含以下步骤：

步骤a、利用惯性测量组件来感应载体的运动特性：惯性测量组件通过光纤陀螺仪敏感运动载体沿其轴向的角速度信号，通过加速度计测量沿载体轴向的线加速度信号，并将信号传输给计算机；

步骤b、系统模块的初始化：光纤陀螺捷联惯性导航系统在静态条件下启动，首先进行系统的初始化，包括导航计算机硬件自检；接口扩展板的各个接口的初始化；对导航传感器信号的检测和控制显示器之间的通讯；相应状态的设置；

步骤c、在静基座下初始对准：光纤陀螺捷联惯性导航系统接收到外界给出的控制信号和初始信息后，采用二阶调平回路水平对准和罗经回路的精对准相结合的自对准方法；

步骤d、进行捷联解算：导航计算机对陀螺仪敏感的角速度信号进行捷联矩阵的更新运算，对姿态矩阵进行三角函数计算即提取出运动载体的姿态角和方位角，将加速度计所测量的线加速度信息由载体坐标系转换到地理坐标系，然后积分得到速度和位置等导航参数；

其特征在于它还包含以下步骤：

步骤e、引入舒拉振荡误差衰减环节：单通道东向水平回路振荡衰减环节H_x(s)和单通道东向水平回路振荡衰减环节H_y(s)取值相同：

$H_x\left(s\right)=H_y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1)(s+{\mathrm{\ω}}_2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_3)(s+{\mathrm{\ω}}_4)}$

步骤f、引入地球自传振荡误差衰减环节：为了消除24小时的地球周期分量，又要考虑对舰船运动的敏感性尽可能的小，本方案将衰减环节只作用于计算的地球自转分量，在姿态矩阵的更新中，所用到的更新角速率如下式：

${\mathrm{\ω}}_x=-Y_x\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

步骤g、使Y函数与H函数相配合：通过代换H(s)的频率区域来实现Y(s)的设计：

$s\→\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{\mathrm{\Ω}}s$

由上式可以得到相应的

$Y\left(s\right)=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_5)(s+{\mathrm{\ω}}_6)}{(s+{\mathrm{\ω}}_7)(s+{\mathrm{\ω}}_8)}$

经过逐次尝试以确定阻尼网络的形式和参数Y(s)，求出下式：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]$

步骤h、修正方位：在稳态时满足下式：

$\underset{s\→0}{\lim }{Y}_x\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_y\left(s\right)=\underset{s\→0}{\lim }{Y}_z\left(s\right)=1$

衰减系数为0.5，确定取值如下A₁＝4.76e-5，A₂＝5.86e-3，A₃＝6.14e-5：

$W\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Ω}}{s}[1-Y\left(s\right)]=-\frac{A_1}{(s+A_2)(s+A_3)}$

步骤i、导出惯性导航系统的基本方程：

步骤j、根据机动状态选择系统状态：在捷联矩阵实时更新的过程中，利用加速度计的测量值变换到地理坐标系，进一步确定系统的加速运动情况，再确定系统当前所应当采取的状态；

步骤k、输出导航参数、导航计算机按照规定的格式和速率，将计算得到的导航参数传输给相应的显示仪器。

2.根据权利要求1中所述的一种在线实时消除光纤陀螺捷联惯导系统振荡误差的方法，其特征在于步骤f中所述的更新角速率公式为如下形式：令Y_x(s)＝Y_y(s)＝Y_z(s)，W＝m/s(1-y)

${\mathrm{\ω}}_x=-\frac{V_{\mathrm{cy}}}{R_M}{H}_y$

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