CN102589568A

CN102589568A - 车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法

Info

Publication number: CN102589568A
Application number: CN2012100111147A
Authority: CN
Inventors: 奔粤阳; 吴晓; 李倩; 高伟; 于飞; 王秋滢; 盛宏媛; 刘彬; 张磊; 南兆君
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: CN102589568B

Abstract

本发明的目的在于提供车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，包括以下步骤：确定车辆的初始位置，采集陀螺和加速度计输出的数据；进行解析式粗对准；使车辆捷联惯性导航系统的水平回路工作在二阶水平对准过程，方位回路工作在罗经对准过程中，采集车辆捷联惯性导航系统测量的导航坐标系下速度，上一步结束时刻车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₁，得到测量中间量

和

启动车辆并操纵车辆转弯，制动车辆，熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态，再一次上述步骤，结束时刻，车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₂，得到测量中间量

利用上述值得到三轴陀螺常值漂移的测量值。本发明可操作性强，简单方便。

Description

车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种捷联惯性导航系统的标定方法。

背景技术

标定是捷联惯性导航系统的关键技术之一，标定的目的就是确定惯性测量组件(三轴陀螺和加速度计)的数学模型或误差数学模型的参数。在标定完成后，就可以在实际的应用环境中对惯性测量组件的输出进行补偿，提高捷联惯性导航系统的精度。

通常情况下的标定是在实验室内，使用精密转台进行的。例如北京航空航天大学富力的专利“挠性陀螺仪静态漂移零次和一次加速度相关项误差模型最优位置标定方法”(申请公布号CN101738203A)。该发明公开了一种挠性陀螺仪静态漂移零次和一次加速度相关项误差模型最优位置标定方法，在最优空间正交十二位置下对获得的最优空间正交十二位置漂移系数与挠性陀螺静态误差补偿模型进行的测量值补偿，有效地提高了挠性陀螺仪的输出，需将挠性陀螺仪安装在高精度三轴位置速率转台上，且三轴与地理系的天北西方向要求严格重合。再例如北京航空航天大学的发明人房建成的专利“一种光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法”(申请公布号CN101021546A)。该发明涉及一种现场精确标定光纤陀螺惯性测量单元误差系数的方法，可在没有精密转台的使用现场，通过光纤陀螺惯性测量单元在驻留12个位置，精确标定出陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置，该方法需要对光纤陀螺惯性测量单元进行多次翻转操作，这需要对捷联惯性导航系统进行重复拆装，操作繁琐，并且存在重复拆装误差的问题。

相关研究表明，试验室转台标定出的各项误差系数并不是固定不变的，包括陀螺常值漂移、标度因数、安装误差和加速度计常值误差、标度因数、安装误差等。这些参数随着系统的使用和存放时间的推移而变化，时间间隔越长，则变化越大，需要定期标定。同时，根据捷联惯性导航系统的基本工作原理可知：其误差的主要诱因为三轴陀螺常值漂移。由于车辆捷联惯性导航系统普遍为中等精度、或者是低精度的捷联惯性导航系统，因此标定的主要任务即三轴陀螺常值漂移的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供提高车辆捷联惯性导航系统的导航精度的车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，其特征是：

(1)熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态；

(2)通过外部设备确定车辆的初始位置包括经度和纬度，将它们装订至车辆捷联惯性导航系统的导航计算机中；

(3)车辆捷联惯性导航系统进行预热，采集陀螺和加速度计输出的数据；

(4)进行解析式粗对准；

(5)使车辆捷联惯性导航系统的水平回路工作在二阶水平对准过程，方位回路工作在罗经对准过程中，采集车辆捷联惯性导航系统测量的导航坐标系下速度：

其中上角标表示导航坐标系n系，下角标E、N、U分别表示导航坐标系的东向轴、北向轴和天向轴，并且有

h为车辆捷联惯性导航系统的采样周期；

(6)步骤(5)结束时刻，车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₁：

其中

表示T₁的第i行、第j列元素；

(7)利用步骤(5)采集到的

和

得到测量中间量

和

其中L为车辆所在位置的纬度值，参数设置为

(8)启动车辆并操纵车辆转弯，制动车辆，熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态；

(9)重复步骤(5)的过程；

(10)步骤9结束时刻，车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₂：

其中表示T₂的第i行、第j列元素；

(11)利用步骤(9)采集到的可得测量中间量

(12)利用步骤(6)、步骤(7)、步骤(10)、步骤(11)得到三轴陀螺常值漂移的测量值：

x轴陀螺常值漂移的测量值：

y轴陀螺常值漂移的测量值：

z轴陀螺常值漂移的测量值：

其中

本发明还可以包括：

1、进行解析式粗对准的步骤进行30秒。

2、采集车辆捷联惯性导航系统测量的导航坐标系下速度的步骤进行140秒。

本发明的优势在于：本发明车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法具有可操作性强的特点。无需三轴高精度转台，单轴角位置转台等外部辅助设备，仅需操作车辆进行一次转弯，操作简单方便。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的捷联惯性导航系统的东向水平回路工作在二阶水平对准过程，对应于步骤5；

图3为本发明的捷联惯性导航系统的北向水平回路工作在二阶水平对准过程，方位回路工作在罗经对准过程，对应于步骤5，其中

为导航坐标系等效东向、北向加速度计零位偏差，

为东向、北向、天向平台失准角。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，一种车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，其特征在于：

步骤1、熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态；

步骤2、通过外部设备(如GPS)确定车辆的初始位置(包括经度和纬度)，将它们装订至车辆捷联惯性导航系统的导航计算机中；

步骤3、车辆捷联惯性导航系统进行预热(具体预热时间可以参见车辆捷联惯性导航系统的使用说明)，然后采集陀螺和加速度计输出的数据；

步骤4、对采集到的陀螺和加速度计数据进行处理，进行解析式粗对准，该步骤进行30秒；

步骤5、使车辆捷联惯性导航系统的水平回路工作在二阶水平对准过程，方位回路工作在罗经对准过程中，采集车辆捷联惯性导航系统测量的导航坐标系下速度

h为车辆捷联惯性导航系统的采样周期，该步骤进行140秒；

步骤6、采集步骤5结束时刻，即第140秒时，车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₁

其中

表示T₁的第i行、第j列元素；

步骤7、利用步骤5采集到的

和

可得测量中间量

和

其中L为车辆所在位置的纬度值，参数设置为

步骤8、启动车辆，并操纵车辆转弯，制动车辆，熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态；

步骤9、重复步骤5的过程；

步骤10、采集步骤9结束时刻，车辆捷联惯性导航系统测量得到的捷联姿态矩阵T₂

其中

表示T₂的第i行、第j列元素；

步骤11、利用步骤9采集到的

可得测量中间量

步骤12、利用步骤6、步骤7以及步骤10、步骤11得到三轴陀螺常值漂移的测量值，其中x轴陀螺常值漂移的测量值

并且有

y轴陀螺常值漂移的测量值

z轴陀螺常值漂移的测量值

车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法具有快速性的特点。去除步骤3的预热时间(需要参见车辆捷联惯性导航系统的使用说明)，以及步骤8中对于车辆的操纵过程，仅需要300秒。

所述的车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法具有可操作性强的特点。无需三轴高精度转台，单轴角位置转台等外部辅助设备，仅需操作车辆进行一次转弯，操作简单方便。

为了进一步验证所述方法的有益效果，采用一套哈尔滨工程大学研制的光纤陀螺捷联惯性导航系统对所述方法进行车载试验验证。首先在试验室条件下，利用高精度三轴速率转台，通过静态24位置试验测量出三轴陀螺常值漂移，并以此作为基准值，然后，按照所述方法进行车载试验，试验测试值如表1所示。

表1 试验测试结果

通过表1可以看出：所述方法进行车载试验，其试验测量值误差小于0.01度/小时，可以达到中等精度光纤陀螺捷联惯性导航系统对于标定的要求，满足车辆捷联惯性导航系统的使用要求。

Claims

1.车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，其特征是：

(1)熄灭车辆发动机，保持车辆静止状态；

(4)进行解析式粗对准；

V^{n} (k) = [\begin{matrix} V_{E}^{n} (k) \\ V_{N}^{n} (k) \\ V_{U}^{n} (k) \end{matrix}],

其中上角标表示导航坐标系n系，下角标E、N、U分别表示导航坐标系的东向轴、北向轴和天向轴，并且有k＝1，2，·，M，

h为车辆捷联惯性导航系统的采样周期；

T_{1} = [\begin{matrix} T_{1} (11) & T_{1} (12) & T_{1} (13) \\ T_{1} (21) & T_{1} (22) & T_{1} (23) \\ T_{1} (31) & T_{1} (32) & T_{1} (33) \end{matrix}],

其中T₁(ij)表示T₁的第i行、第j列元素；

(7)利用步骤(5)采集到的

和

得到测量中间量Δ₁和Δ₂：

Δ_{1} = \frac{(K_{2} + 1) Σ_{k = 1}^{M} V_{N}^{n} (k)}{6378393},

Δ_{2} = \frac{K_{z} Σ_{k = 1}^{M} V_{U}^{n} (k)}{465.1198 \cos L},

其中L为车辆所在位置的纬度值，参数设置为K₂＝153.5，K_z＝0.009446；

(9)重复步骤(5)的过程；

T_{2} = [\begin{matrix} T_{2} (11) & T_{2} (12) & T_{2} (13) \\ T_{2} (21) & T_{2} (22) & T_{2} (23) \\ T_{2} (31) & T_{2} (32) & T_{2} (33) \end{matrix}],

其中T₂(ij)表示T₂的第i行、第j列元素；

(11)利用步骤(9)采集到的

得到测量中间量Δ₃：

Δ_{3} = \frac{(K_{2} + 1) Σ_{k = 1}^{M} V_{N}^{n} (k)}{6378393};

x轴陀螺常值漂移的测量值：

ϵ_{x} = \frac{T_{1} (22) T_{1} (33) Δ_{3} - T_{1} (22) T_{2} (23) Δ_{2} + T_{1} (23) T_{2} (22) Δ_{2} - T_{1} (23) T_{1} (32) Δ_{3} - T_{1} (33) T_{2} (22) Δ_{1} + T_{1} (32) T_{2} (23) Δ_{1}}{D}

y轴陀螺常值漂移的测量值：

ϵ_{y} = \frac{{- T}_{1} (21) T_{1} (33) Δ_{3} - T_{1} (21) T_{2} (23) Δ_{2} - T_{1} (33) T_{2} (21) Δ_{1} + T_{1} (31) T_{2} (23) Δ_{1} - T_{1} (23) T_{1} (31) Δ_{3} + T_{1} (23) T_{2} (21) Δ_{2}}{D}

z轴陀螺常值漂移的测量值：

ϵ_{z} = \frac{T_{1} (31) T_{2} (22) Δ_{1} - T_{1} (21) T_{2} (22) Δ_{2} + T_{1} (22) T_{2} (21) Δ_{2} - T_{1} (32) T_{2} (21) Δ_{1} + T_{1} (21) T_{1} (32) Δ_{3} - T_{1} (22) T_{2} (31) Δ_{3}}{D}

其中

D＝T₁(21)T₂(23)T₁(32)-T₁(21)T₁(33)T₂(22)+T₁(33)T₁(22)T₂(21)

-T₂(23)T₁(22)T₁(31)-T₁(23)T₂(21)T₁(32)+T₁(23)T₁(31)T₂(22)。

2.根据权利要求1所述的车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，其特征是：进行解析式粗对准的步骤进行30秒。

3.根据权利要求1或2所述的车辆捷联惯性导航系统的三轴陀螺常值漂移快速测量方法，其特征是：采集车辆捷联惯性导航系统测量的导航坐标系下速度的步骤进行140秒。