CN101701825A - 高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，包括惯性测量单元、单轴转台、电路箱、UPS电源和显控设备等。惯性测量单元1安装在单轴转台2上，通过减震器3进行减震。利用单轴转台周期性的旋转以调制惯性测量单元中惯性器件的常值漂移，提高惯性导航系统的姿态、速度和位置精度。具体实现是：精确的惯性测量单元安装标定；单轴旋转方式的选择；精确的多位置初始对准；惯导系统与惯性器件的误差分析、建模与温度补偿；单轴旋转捷联惯导系统的导航算法。本发明能为载体(舰船)长时间提供实时、完整、高精度的导航姿态、速度和位置信息，提高载体的综合作战能力。

Description

高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统

技术领域

本发明是一种应用于长时间惯性导航的高精度激光陀螺单轴旋转系统，属惯性导航领域。

背景技术

激光捷联惯性导航系统是将惯性器件直接固定在运载体上，由激光陀螺和加速度计分别测量沿载体坐标系的三个转动角速度和三个线速度，经过计算得到运载体的速度、位置、航向和水平姿态等各种导航信息。系统求得导航参数无需依赖任何外界信息，是一种完全自主式的导航系统，具有体积小、重量轻、造价低、可靠性高、隐蔽性好等特点，成为航空、航天和航海领域中运载体的主要导航方式。

在军事应用领域，特别是水面舰船和潜艇，对长时间、高精度自主定位的需求更加强烈。惯性导航的精度主要受惯性器件精度的制约，由惯性器件误差造成的系统误差会随着时间而增长。因此为了实现长时间、高精度的惯性导航，必须降低惯性器件输出中的各种误差因素引起的导航误差。

激光陀螺具有耐冲击振动能力强、动态范围大、比例因子的线性度和稳定度好、安装轴的方向稳定性好等一系列优点，是中等精度惯性导航的理想器件。目前已被成功地应用于许多型号的制导与导航系统中，大大提高了武器系统的机动作战能力、自主作战能力和快速反应能力。但是，现有的激光陀螺由于其性能的限制，用常规的捷联式方案，难以制成长时间使用的高精度惯性导航系统。

发明内容

本发明的目的是：采用单轴旋转方案来抑制惯性器件输出中的各种误差因素所引起的导航误差，采用惯性器件补偿技术及系统误差补偿技术，提高惯性导航系统精度，为载体提供长时间、高精度的姿态、速度和位置信息。

为实现本发明目的采用的技术解决方案是：

一种激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，包括惯性测量单元、单轴转台、电路箱、UPS电源和显控设备等。惯性测量单元安装在单轴转台上，利用单轴转台周期性的旋转以调制惯性测量单元中惯性器件的常值漂移。系统长时间、高精度的提供姿态、速度和位置信息依靠以下技术实现：(1)精确的惯性测量单元安装标定；(2)单轴旋转方式的选择；(3)精确的多位置初始对准；(4)惯导系统与惯性器件的误差分析、建模与温度补偿；(5)单轴旋转捷联惯导系统的导航算法等。

本发明的优点是：在增加系统成本较少的前提下，极大的提高了惯性导航系统的精度。采用单轴旋转惯性测量组件的方式，极大的减小了陀螺漂移对系统的影响。采用全温域的安装标定和温度补偿技术，减小了环境对系统的影响，提高了惯性导航系统在各种条件下工作的能力。系统采用捷联方案，结构简单、成本低、可靠性高。

附图说明

图1为激光陀螺单轴旋转惯导系统的示意图。

图2为激光陀螺单轴旋转惯导系统的工作原理图。

图3为激光陀螺单轴旋转惯导系统的自动补偿原理示意图。

图4为惯性测量组件转动次序示意图。

图5为激光陀螺单轴旋转惯导系统导航算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，惯性测量单元(IMU)安装在单轴转台上，IMU由3个正交安装的激光陀螺和3个正交安装的加速度计组成，单轴转台可以绕轴向周期性往复转动。IMU中的激光陀螺和加速度计敏感惯性空间的角速率和加速度，经误差补偿后输出给导航计算机解算IMU的姿态、速度和位置信息。利用事先标定的IMU相对于载体的水平姿态及转台输出的角位置，确定载体的姿态信息。

为了获得长时间、高精度的激光陀螺单轴旋转惯导系统，需要完成以下工作：

1.精确的IMU的安装标定。

采集IMU中激光陀螺和加速度计的输出信号，在带有温箱的三轴转台上标定激光陀螺和加速度计的安装误差和标度因数误差，对不同温度点下的安装误差、标度因数误差做最小二乘拟合，获得最优的安装标定参数，对惯性器件进行误差补偿。

2.单轴旋转方式。

在进行初始对准和导航解算之前，需要明确旋转调制的基本原理和单轴转台的旋转方法。

捷联惯导系统的误差方程为：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^n=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^n\×{\mathrm{\φ}}^n+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^n-C_b^n\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b---\left(1\right)$

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

其中n表示导航坐标系，如图3中的ENU；b表示IMU构成的载体坐标系，如图3中的xyz；i表示惯性坐标系；e表示地球坐标系。φⁿ为计算导航坐标系与真实导航坐标系之间的姿态失准角，v和δv分别为速度和速度误差，ω和δω分别为角速度和角速度误差，f和δf分别为加速度计的比力和比力误差，δg为重力误差，C_b ⁿ为姿态矩阵。从(1)(2)两式中可以看出，陀螺误差δω_ib ^b(ω_x，ω_y，ω_z)和加速度计误差

是惯导系统的主要误差源，而陀螺和加速度计的误差通过乘以姿态矩阵投影到ENU坐标系上，才在系统中起作用的。以x陀螺为例(如图3所示)，当转台角为0°时，IMU构成的载体坐标系中x陀螺漂移沿+E方向，当转台转过180°时，IMU构成的载体坐标系中x陀螺漂移沿-E方向，从导航坐标系ENU中看去，陀螺漂移对系统的影响相互抵消。因此经过周期性的旋转，陀螺漂移对系统的影响就大大降低。

旋转方式对系统同样有影响，本发明提出一种旋转方式，如图4所示。IMU安装在单轴转台上，按照1-2-3-4的顺序周期性旋转，每个位置停1分钟或3分钟。

3.精确的多位置初始对准。

利用单轴转台周期性的改变惯性测量单元的航向，设计了一种高精度的基于转动基座的初始对准方法。以水平速度和经纬度作为观测量，运用卡尔曼滤波器，精确估计惯导系统的初始平台误差角φ_E，φ_N，φ_U，陀螺漂移ω_E，ω_N，加速度计漂移a_E，a_N，水平速度误差v_E，v_N，并反馈给导航系统进行补偿，得到惯导系统精确的初始横滚角、俯仰角、航向角信息。

4.惯导系统与惯性器件的误差分析、建模与温度补偿。

高精度的激光陀螺单轴旋转惯导系统需要对整个系统和惯性器件的误差进行分析，建立合理的数学模型，分析每一项误差的传播规律，对每一项误差进行最优估计和补偿，以保证高精度导航系统的实现。因此，对惯导系统和惯性器件进行误差分析、建模和补偿是惯导系统中的重要内容。

4.1激光陀螺单轴旋转惯性导航系统误差模型

激光陀螺单轴旋转惯性导航系统的误差模型包括姿态误差方程、速度误差方程和位置误差方程。在导航坐标系ENU下，姿态误差方程为：

速度误差方程为：

位置误差方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{L}\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{h}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{V_E\mathrm{tgL}\sec L}{R_E+h}& -\frac{V_E\sec L}{{(R_E+h)}^2}\\ 0& 0& -\frac{V_N}{{(R_N+h)}^2}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ\λ}\\ \mathrm{\δL}\\ \mathrm{\δh}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\frac{\sec L}{R_E+h}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{R_N+h}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{V}_E\\ \mathrm{\δ}{V}_N\\ \mathrm{\δ}{V}_U\end{array}\right]---\left(5\right)$

4.2惯性器件的误差建模及补偿

惯性器件中激光陀螺的误差模型主要由三部分组成：ε^b＝ε₀+ε_r+w_g，式中ε₀为随机常值漂移；ε_r为慢变漂移，视为一阶Markov过程，

其中，τ为Markov过程的相关时间，w_r是均方差为σ_r的Markov过程驱动白噪声；w_g为均方差为σ_g随机白噪声过程。

惯性器件中加速度计的误差模型为

其中为常值漂移，w_a是均方差为σ_a的白噪声过程。采用Kalman滤波对激光陀螺和加速度计进行零均值最小误差估计，通过闭环反馈给系统进行补偿。

环境温度的变化会影响激光陀螺和加速度计的性能，需要对其进行温度补偿。以温度及其二次项和温度速率建立补偿模型，消除温度对惯性器件引入的误差。温度对惯性器件漂移的的影响主要表现在以下三个方面：温度、温度梯度与温变速率。温度模型为：

$B=k_1+k_{2}T+k_3{T}^2+k_4\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+k_{5}T\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

式中T表示温度，

表示温度变化率，k_n，n＝1，2，...5为未知参数。第一项k₁代表了惯性器件漂移的主值部分，即0℃恒温条件下的惯性器件漂移。第二到第五项用来表示温度变化对惯性器件漂移的影响，其中温度T本身的含义就表示了温度梯度对惯性器件漂移的影响。后三项用来表征零偏围绕主值所做的波动与变化，主要用来消除趋势项对惯性器件漂移造成的影响。对惯性器件做多次温度实验，采用最小二乘拟合法获得最优的温度模型参数。系统工作时，根据实际温度对惯性器件进行温度补偿。

在得到惯性器件和惯导系统的误差模型之后，就可以在系统中设法消除或减小各种误差对系统的影响，提高系统的精度。

5.高精度的单轴旋转捷联惯导系统导航算法。

导航算法主要包括姿态转移矩阵的计算和位置与速度的计算两部分。采用四元数法对姿态转移矩阵进行解算，采用双子样算法对圆锥误差进行补偿。在速度解算时，采用双字样算法对划桨效应进行补偿。

导航解算的过程如图5所示，包括了多个参数的计算，根据需要按照不同的迭代周期进行解算：

T1周期，其值为2000Hz，以这一周期执行的任务为传感器采样和预滤波。

T2周期，以这一周期执行的任务为圆锥补偿。现代计算机技术的发展使得处理器的计算速度和存储器的容量都有大幅度的提高，因此各种算法之间的差异正逐渐减小，理论上只要补偿算法是有效的，就可以通过减小计算周期来提高精度。但实际上计算周期不宜选得过小，原因是多轴传感器的高频误差的校正会引起伪圆锥误差。折衷考虑，本系统圆锥补偿周期取为1000Hz。

T3周期，以这一周期执行的任务包括姿态四元数更新、捷联矩阵的计算、比力的坐标变换、速度更新。T3周期取为100Hz。

T4周期，以这一周期执行的任务包括四元数归一化、位置矩阵计算、g的计算、高度计算、地球速率的计算。T4周期取为10Hz。

T5周期，其值为2Hz，为数据发送周期。

Claims (8)

1.一种激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于长时间、高精度的为载体提供姿态、速度和位置信息。通过以下步骤实现：

(1)精确的惯性测量单元安装标定。采集惯性测量单元中激光陀螺和加速度计的输出信号，在带有温箱的三轴转台上标定激光陀螺和加速度计的安装误差和标度因数误差，对惯性器件进行误差补偿。

(2)单轴旋转方式。惯性导航系统在对准及导航过程中，利用单轴转台旋转惯性测量单元，减小水平陀螺常值漂移对系统的影响并提高初始对准的精度。单轴转台采用四位置转/停的旋转方式。

(3)精确的多位置初始对准。利用单轴转台周期性的改变惯性测量单元的航向，设计了一种高精度的基于转动基座的初始对准方法。以水平速度和经纬度作为观测量，运用卡尔曼滤波器，精确估计惯导系统的初始平台误差角φ_E，φ_N，φ_U，陀螺漂移ε_E，ε_N，ε_U，加速度计漂移a_E，a_N，a_U，水平速度误差v_E，v_N，并反馈给导航系统进行补偿，得到惯导系统精确的初始横滚角、俯仰角、航向角信息。

(4)惯导系统与惯性器件的误差分析、建模与温度补偿。激光陀螺单轴旋转惯性导航系统的误差模型包括姿态误差方程、速度误差方程和位置误差方程。惯性器件中激光陀螺的误差模型主要由三部分组成：ε^b＝ε₀+ε_r+w_g，式中ε₀为随机常值漂移；ε_r为慢变漂移，视为一阶Markov过程，

其中，τ为Markov过程的相关时间，w_r是均方差为σ_r的Markov过程驱动白噪声；w_g为均方差为σ_g随机白噪声过程。惯性器件中加速度计的误差模型为

为常值漂移，w_a是均方差为σ_a的自噪声过程。采用Kalman滤波对激光陀螺和加速度计进行零均值最小误差估计，通过闭环反馈给系统进行补偿。环境温度的变化会影响激光陀螺和加速度计的性能，需要对其进行温度补偿。以温度及其二次项和温度速率建立补偿模型，消除温度对惯性器件引入的误差。

(5)高精度的单轴旋转捷联惯导系统导航算法。主要包括姿态转移矩阵的计算和速度与位置的计算两部分。

2.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于在不同温度点对惯性测量单元进行安装标定。

3.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于单轴转台采用转停结合的方式，在0°，90°，180°，270°四个位置之间往复旋转。

4.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于单轴转台每个位置停1分钟或3分钟，旋转速度为30°/s。

5.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于单轴转台的转动次序为0°→180°→270°→90°→0°，周而复始。

6.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于对惯性器件进行-40℃～+60℃内的温度补偿。

7.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于对整体结构进行减震。

8.如权利要求1所述的激光陀螺单轴旋转惯性导航系统，其特征在于导航计算机为基于DSP技术和FPGA技术的捷联导航计算机系统。

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