CN102221364A - 一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法 - Google Patents

一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法，属于惯性导航技术领域。以惯导系统的载体作为参考坐标系，控制惯性导航以一定周期进行转动，每个转动周期包括三次旋转过程，每个转动周期的第三次旋转中由于载体运动造成的误差在下一个转动周期进行补偿。本方法步骤简单，可以弥补不隔离载体运动而不能被完全补偿的常值漂移误差，较大程度地提高惯导系统精度，能够在陆上和水上对运动中载体上安装的旋转式系统进行常值漂移补偿。

Description

一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法
技术领域
本发明涉及一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法，属于惯性导航技术领域。
技术背景
惯性敏感器件(如陀螺仪、加速度计等)的误差是惯性导航系统误差的主要来源。如果单纯从工艺上提高惯性器件的精度，存在成本高、周期长、技术难度大等问题。采用补偿惯性敏感器件误差的方法来提高惯性导航系统的性能，是在现有惯性敏感器件技术水平基础上实现更高导航精度的一条现实途径。传统的惯性敏感器件误差补偿方法为旋转调制，旋转调制的方法是通过在捷联式惯导系统的基础上增加转动和控制机构，通过翻转或连续旋转将惯性器件误差调制成某种周期变化的形式，在导航解算的过程中利用积分运算自动补偿误差，从而提高惯导系统精度，以满足长航时、高精度的导航要求。
当惯导系统的载体运动时，旋转调制式系统安装在载体上存在是否隔离载体运动两种情况。如果转轴没有隔离运动，当系统旋转的同时载体也在运动，则系统旋转整周时，载体可能没有完成整周的旋转或者已经超过了整周旋转，使漂移无法完全平均从而残余误差项影响系统精度。而隔离载体运动会使系统变得非常复杂，不利于系统的搭建和解算，因此需要采用转位方法弥补不隔离载体运动而不能被完全补偿的常值漂移误差。
目前比较常见的转位方法为四位置转停方法，通常采用惯导系统在(-135°，+45°，+135°，-45°)的四个位置间循环运动的转位方案来进行常值漂移的自动补偿。控制转速使每次旋转的时间相同，以达到常值漂移完全平均的效果。此方法仅在载体静止的时候能够成立，当载体运动时，惯导无法保证整周旋转，从而无法保证常值漂移能够被完全平均。在实际应用中，载体的运动会导致旋转不能够按照原来设计角度相对地理坐标系转到指定位置，致使旋转误差不能被全部补偿，因此需要一种方法实时补偿载体运动所引起的误差。
发明内容
本发明的目的是为了消除惯导系统中的载体运动引起的补偿误差，进一步提高惯导系统的精度，提出一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法，以惯导系统的载体作为参考坐标系，控制惯性导航以一定周期进行转动，每个转动周期包括三次旋转过程，分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度β；
每个转动周期的第三次旋转中由于载体运动造成的误差在下一个转动周期进行补偿；
不同转动周期之间的区别在于其中步骤3)中角度β的选择，通过选择合适的角度β，来使每个转动周期之内三次旋转后的常值漂移为零；
惯性导航第N个转动周期中角度β的计算公式为
Figure BDA0000049576430000021
其中Ω为惯导系统的旋转角速度，
Figure BDA0000049576430000022
为第N个转动周期的前两次转动过程中载体的转动所引起的误差，Ex、Ey分别为第N个转动周期中惯导系统的陀螺在参考坐标系x轴和y轴的常值漂移误差，α为第N个转动周期中惯性导航相对于参考坐标系的初始角度；
上述第N个转动周期中角度β的计算过程为：
第N个转动周期中第一次转动的误差角度为
Figure BDA0000049576430000023
其中εE为惯导系统的陀螺输出，t为时间；
第N个转动周期中第二次转动的误差角度为
Figure BDA0000049576430000024
第N个转动周期中第三次转动的误差角度为
Figure BDA0000049576430000031
Figure BDA0000049576430000032
第N个转动周期中，前两次转动过程中载体的转动所引起的误差为
为使三次旋转的常值漂移误差被完全补偿，需要使
Figure BDA0000049576430000034
即
Figure BDA0000049576430000035
计算得出
Figure BDA0000049576430000036
使得三次旋转的常值漂移误差被完全补偿；
在第(N+1)个转动周期中，惯性导航相对于参考坐标系的初始角度为α′，也即
α′＝α+π-β
第(N+1)个转动周期中前两次转动过程中载体的转动所引起的误差为
Figure BDA0000049576430000037
Figure BDA0000049576430000038
从第N个转动周期的第二次旋转结束后算起，此时
Figure BDA0000049576430000039
其余转动周期均按照上述方法依次类推，周而复始地工作。
有益效果
本方法步骤简单，可以弥补不隔离载体运动而不能被完全补偿的常值漂移误差，较大程度地提高惯导系统精度，能够在陆上和水上对运动中载体上安装的旋转式系统进行常值漂移补偿。
附图说明
图1为本发明的惯性导航在一个转动周期内的旋转过程示意图；
图2为实施例1中采用传统方法的x轴误差角度；
图3为实施例1中本发明方法的x轴误差角度；
图4为实施例1中采用传统方法的y轴误差角度；
图5为实施例1中本发明方法的y轴误差角度；
图6为实施例2中采用传统方法的x轴误差角度；
图7为实施例2中本发明方法的x轴误差角度；
图8为实施例2中采用传统方法的y轴误差角度；
图9为实施例2中本发明方法的y轴误差角度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法，以惯导系统的载体作为参考坐标系，控制惯性导航以一定周期进行转动，每个转动周期包括三次旋转过程，如图1所示，分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度β；
惯性导航第N个转动周期中角度β的计算公式为
Figure BDA0000049576430000041
实施例1
将本方法应用于某陆用单轴旋转式捷联惯导系统；惯导系统中陀螺精度为0.01°/h，陀螺零偏为0.1°/h，捷联惯导系统旋转角速度Ω为18°/s，惯导和载体的初始方向均为北；载体的运动过程如下：
第一步，以30°/s的速度向左转90°，停35s；
第二步，以25°/s的速度向右转100°，停25s；
第三步，以35°/s的速度向右转210°，停10s。
惯导系统的运动过程中前三个转动周期运动如下：
第一个转动周期中的三次旋转过程分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度72.89°；
第二个转动周期中的三次旋转过程分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度198.17°；
从第三个转动周期之后不再列举；
采用传统方法和采用本发明方法的x轴误差角度分别如图2和图3所示；
采用传统方法和采用本发明方法的y轴误差角度分别如图4和图5所示；
从图2至图5可以看出，采用本方法能够使误差角度保持在0附近震荡，而采用传统方法的误差角度依旧随着载体的运动渐渐发散。
实施例2
将本方法应用于某水上单轴旋转式捷联惯导系统；惯导系统中陀螺精度为0.01°/h，陀螺零偏为0.1°/h，捷联惯导系统旋转角速度Ω为18°/s，惯导和载体的初始方向均为北；载体的运动过程如下：
第一步，以30°/s的速度向左转90°，停35s；
第二步，以25°/s的速度向右转100°，停25s；
第三步，以35°/s的速度向右转210°，停10s。
惯导系统的运动过程中前三个转动周期运动如下：
第一个转动周期中的三次旋转过程分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度26.01°；
第二个转动周期中的三次旋转过程分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度141.11°；
从第三个转动周期之后不再列举；
采用传统方法和采用本发明方法的x轴误差角度分别如图6和图7所示；
采用传统方法和采用本发明方法的y轴误差角度分别如图8和图9所示；
从图6至图9可以看出，采用本方法能够将误差角度控制在0附近趋近收敛，而采用传统方法的误差角度不会收敛，而是随着载体的运动渐渐发散。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种单轴旋转式捷联惯导系统转位方法，其特征在于：以惯导系统的载体作为参考坐标系，控制惯性导航以一定周期进行转动，每个转动周期包括三次旋转过程，分别为：
1)控制惯性导航逆时针旋转180°；
2)控制惯性导航顺时针旋转360°；
3)控制惯性导航逆时针旋转角度β；
每个转动周期的第三次旋转中由于载体运动造成的误差在下一个转动周期进行补偿；
惯性导航第N个转动周期中角度β的计算公式为
Figure FDA0000049576420000011
其中Ω为惯导系统的旋转角速度，
Figure FDA0000049576420000012
为第N个转动周期的前两次转动过程中载体的转动所引起的误差，Ex、Ey分别为第N个转动周期中惯导系统的陀螺在参考坐标系x轴和y轴的常值漂移误差，α为第N个转动周期中惯性导航相对于参考坐标系的初始角度；
在第(N+1)个转动周期中，惯性导航相对于参考坐标系的初始角度为α′，也即
α′＝α+π-β
第(N+1)个转动周期中前两次转动过程中载体的转动所引起的误差为
Figure FDA0000049576420000013
从第N个转动周期的第二次旋转结束后算起，此时
Figure FDA0000049576420000014
其余转动周期均按照上述方法依次类推，周而复始地工作。
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