CN102620734B - 一种单轴旋转调制微机械惯导方法 - Google Patents

一种单轴旋转调制微机械惯导方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102620734B
CN102620734B CN201210102592.9A CN201210102592A CN102620734B CN 102620734 B CN102620734 B CN 102620734B CN 201210102592 A CN201210102592 A CN 201210102592A CN 102620734 B CN102620734 B CN 102620734B
Authority
CN
China
Prior art keywords
inertial
shaft
measurement unit
angle
inertial measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210102592.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102620734A (zh
Inventor
徐海刚
唐彦
张伟
黄妍妍
李延
熊建琼
王婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Original Assignee
Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI filed Critical Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority to CN201210102592.9A priority Critical patent/CN102620734B/zh
Publication of CN102620734A publication Critical patent/CN102620734A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102620734B publication Critical patent/CN102620734B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种单轴旋转微机械惯导方法。目的是利用低成本旋转机构对微机械陀螺漂移进行调制并提高惯导系统的纯惯性导航精度。该方法包括构建单轴旋转机构的步骤，单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元；还包括初始对准步骤以及导航计算步骤，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。通过该方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系统纯惯性导航精度提高到2nmile/10min，满足高精度导航需求。

Description

一种单轴旋转调制微机械惯导方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种单轴旋转微机械惯导方法。
背景技术
微机械陀螺有可靠性高、环境适应性强、体积小、成本低等优点，但是其精度偏低，一般只能与卫星导航系统组成组合导航系统使用，而纯惯性导航精度很差。目前，典型的石英音叉陀螺的常温零偏稳定性可达10°/h，全温范围内为50°/h，导航10min的定位误差可达20nmile以上，不能高精度导航的需要。
但是，石英音叉陀螺的噪声较小，目前可达0.5°/sqrt(h)，若能通过某种方法抑制缓慢变化的陀螺漂移的影响，则有可能将陀螺等效精度提高到2°/h以内，实现高精度导航的应用。
发明内容
本发明的目的是利用低成本旋转机构对微机械陀螺漂移进行调制并提高惯导系统的纯惯性导航精度，提供一种单轴旋转调制微机械惯导方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种单轴旋转调制微机械惯导方法，包括如下步骤：
步骤(S1)构建单轴旋转机构，所述单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元；
步骤(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；
步骤(S3)惯性测量单元导航计算：利用加速度计和陀螺的输入，进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。
如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中：所述初始对准的具体步骤如下：
(S2.1)使旋转机构静止，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订；
(S2.2)启动旋转机构，使惯性测量单元以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；
(S2.3)水平精对准：以速度误差为观测量，采用卡尔曼滤波器方法进行水平精对准；
(S2.4)在精对准过程中，利用测角机构实时得到IMU绕方位轴旋转的角度，再通过初始装订的方位角度与实时旋转的角度相减得到IMU的实时方位角。
如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中：所述单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，且采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承。
如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中：所述步骤(S2.2)中，惯性测量单元以30°/s的角速度在[0°，360°)之间匀速往复旋转。
本发明的有益效果是：
通过采用单轴旋转调制方法来设计微机械惯导系统，抑制陀螺漂移对导航误差的影响，大大提高了导航精度，降低了惯导系统成本，并缩小了惯导系统体积。
石英音叉陀螺噪声比较小，其随机游走系数可达0.5°/sqrt(h)，通过采用本发明提供的旋转调制方法，能够将零偏稳定性为10～50°/h的陀螺等效精度提高到约1.6°/h，在此条件下进行惯性导航，可以实现2nmile/10min的导航精度，可以满足实际应用的需求。
附图说明
图1是单轴旋转机构及其与惯导系统的安装关系示意图；
图2是未采用本方法的某微机械惯导中三个轴的石英音叉陀螺漂移；
图3是水平两个陀螺经过本方法旋转调制后的等效陀螺漂移；
图4是未采用本方法得到的姿态误差角；
图5是采用本方法旋转调制后的姿态误差角；
图6是采用本方法旋转调制后的导航位置误差；
图中，1.旋转机构，2.惯性测量单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的一种单轴旋转调制微机械惯导方法进行介绍：
(S1)构建单轴旋转机构
如图1所示，单轴旋转机构1包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元2(IMU)。
采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承；单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，即惯性测量单元直接安装在旋转机构表面；若采用密珠轴系而不是双端支撑的轴承，可以大大降低旋转机构的高度，从而实现小型化设计。
为降低成本，惯性测量单元可采用微机械惯性器件，由于微机械惯导重量较轻，可以选择输出力矩较小的电机配以降低成本。
(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差
受陀螺精度限制，系统方位对准精度通常只能达到10°，远远低于外部装订精度；因此，本方法在旋转调制过程中实现水平自对准，采用外部装订方式对方位角进行初始化；初始对准具体步骤如下：
(S2.1)控制旋转机构处于0°位置(系统通电前IMU方位轴所指向的位置为0°)，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订；
(S2.2)启动旋转机构，使IMU以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；例如，以30°/s的角速度在[0°，360°)之间匀速往复旋转；
(S2.3)水平精对准：以速度误差为观测量，采用卡尔曼滤波器或闭环卡尔曼滤波器进行水平精对准；通过2min左右的对准，水平姿态角精度可达0.5′以下；
(S2.4)在精对准过程中，利用测角机构可以实时得到IMU绕方位轴旋转的角度，再通过初始装订的方位角度与实时旋转的角度相减得到IMU的实时方位角。
(S3)惯性测量单元导航计算
完成初始对准后，利用加速度计和陀螺的输入，按照标准捷联惯导解算流程进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。
试验结果如图2所示为某微机械惯导中三个轴的石英音叉陀螺的测试数据，横轴表示时间，单位为100s，纵轴表示陀螺零偏稳定性，单位为°/h；测试时间长度为1h；其10s平均零偏稳定性分别为10.1°/h、8.2°/h、9.0°/h。图3为水平两个陀螺经过旋转调制后的等效陀螺漂移，横轴表示时间，单位为分钟，纵轴表示等效陀螺漂移，单位为°/h；可见，经旋转调制之后，10°/h的陀螺漂移经旋转调制后等效精度优于2°/h。
图4为调制前的姿态误差角，图5为调制后的姿态误差角，两图横轴为时间，单位为秒，纵轴为误差角单位为角秒(″)。可见，经过旋转调制，1h内姿态角误差可控制在6′。
进行10min的纯惯性导航，位置误差如图6所示，可见，经过旋转调制，10min纯惯性导航位置误差小于2nmile。
综上，通过该方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系统纯惯性导航精度提高到2nmile/10min，满足高精度导航需求。

Claims (2)

1.一种单轴旋转调制微机械惯导方法，包括如下步骤：
步骤(S1)构建单轴旋转机构，所述单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台用于安装惯性测量单元，惯性测量单元采用微机械惯性器件；
步骤(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；具体分为：
(S2.1)控制旋转机构处于0°位置，系统通电前惯性测量单元方位轴所指向的位置为0°，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订；
(S2.2)启动旋转机构，使惯性测量单元以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；惯性测量单元以30°/s的角速度在[0°，360°)之间匀速往复旋转；
(S2.3)水平精对准：以速度误差为观测量，采用卡尔曼滤波器方法进行水平对准；
(S2.4)在精对准过程中，利用测角机构实时得到惯性测量单元绕方位轴旋转的角度，再通过初始装订的方位角度与实时旋转的角度相减得到惯性测量单元的实时方位角；
步骤(S3)惯性测量单元导航计算：利用加速度计和微机械陀螺的输入，进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其特征在于：所述单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，且采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承。
CN201210102592.9A 2012-04-09 2012-04-09 一种单轴旋转调制微机械惯导方法 Active CN102620734B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210102592.9A CN102620734B (zh) 2012-04-09 2012-04-09 一种单轴旋转调制微机械惯导方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210102592.9A CN102620734B (zh) 2012-04-09 2012-04-09 一种单轴旋转调制微机械惯导方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102620734A CN102620734A (zh) 2012-08-01
CN102620734B true CN102620734B (zh) 2015-08-05

Family

ID=46560801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210102592.9A Active CN102620734B (zh) 2012-04-09 2012-04-09 一种单轴旋转调制微机械惯导方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102620734B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103292809B (zh) * 2013-05-14 2016-03-09 哈尔滨工程大学 一种单轴旋转式惯导系统及其专用误差自补偿方法
CN103940445B (zh) * 2014-04-10 2016-08-17 哈尔滨工程大学 一种单轴旋转惯导系统惯性器件误差补偿方法
CN104121928B (zh) * 2014-05-29 2016-09-28 湖北航天技术研究院总体设计所 一种适用于低精度有方位基准单轴转位设备的惯性测量单元标定方法
CN105865486B (zh) * 2016-03-28 2019-06-25 湖北航天技术研究院总体设计所 一种具有自标定、自对准、自诊断功能的捷联惯导系统
CN111121761B (zh) * 2018-11-01 2023-02-10 北京自动化控制设备研究所 一种基于空速的微机械惯导滚动角确定方法
CN111123972B (zh) * 2019-12-04 2023-04-14 北京航天时代激光导航技术有限责任公司 一种基于航向角跟踪的惯性测量组合旋转调制方法
CN114543779B (zh) * 2020-11-24 2023-03-17 北京晨晶电子有限公司 惯性元件校准结构及微机械陀螺仪

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3238793A (en) * 1961-11-07 1966-03-08 Gen Precision Inc Two-axis hydraulically controlled inertial guidance platform
US5419212A (en) * 1993-07-02 1995-05-30 Honeywell Inc. Touchdown and launch-lock apparatus for magnetically suspended control moment gyroscope
CN101049861A (zh) * 2007-04-16 2007-10-10 北京航空航天大学 完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺
CN101049860A (zh) * 2007-04-16 2007-10-10 北京航空航天大学 单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺
CN101701825A (zh) * 2009-09-28 2010-05-05 龙兴武 高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统
CN101713666A (zh) * 2009-11-20 2010-05-26 哈尔滨工程大学 一种基于单轴转停方案的系泊估漂方法
CN202126265U (zh) * 2011-06-24 2012-01-25 西安测绘研究所 一种动态旋转调制的陀螺寻北仪

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3238793A (en) * 1961-11-07 1966-03-08 Gen Precision Inc Two-axis hydraulically controlled inertial guidance platform
US5419212A (en) * 1993-07-02 1995-05-30 Honeywell Inc. Touchdown and launch-lock apparatus for magnetically suspended control moment gyroscope
CN101049861A (zh) * 2007-04-16 2007-10-10 北京航空航天大学 完全非接触单框架磁悬浮控制力矩陀螺
CN101049860A (zh) * 2007-04-16 2007-10-10 北京航空航天大学 单端支撑式单框架磁悬浮控制力矩陀螺
CN101701825A (zh) * 2009-09-28 2010-05-05 龙兴武 高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统
CN101713666A (zh) * 2009-11-20 2010-05-26 哈尔滨工程大学 一种基于单轴转停方案的系泊估漂方法
CN202126265U (zh) * 2011-06-24 2012-01-25 西安测绘研究所 一种动态旋转调制的陀螺寻北仪

Also Published As

Publication number Publication date
CN102620734A (zh) 2012-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102620734B (zh) 一种单轴旋转调制微机械惯导方法
CN102749079B (zh) 一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构
CN101718560B (zh) 基于单轴四位置转停方案的捷联系统的误差抑制方法
CA2694455C (en) North finding device, system and method
CN102564452B (zh) 一种基于惯性导航系统的在线自主标定方法
CN101793523B (zh) 一种组合导航和光电探测一体化系统
CN104567874B (zh) 一种基于激光惯导的车载定位定向及自标定装置
CN103292801B (zh) 光纤陀螺经纬仪及其寻北方法
CN103090867A (zh) 相对地心惯性系旋转的光纤陀螺捷联惯性导航系统误差抑制方法
CN104501838B (zh) 捷联惯导系统初始对准方法
CN101701825A (zh) 高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航系统
CN104596542A (zh) 移动卫星通信的惯导系统自标定方法
CN103968840B (zh) 一种全数字控制平台式惯性导航系统
CN102071924B (zh) 一种陀螺测斜仪全方位连续测量方法
CN101701824A (zh) 基于激光陀螺的高精度单轴旋转姿态测量系统
CN102829781A (zh) 一种旋转式捷联光纤罗经实现的方法
CN102589546A (zh) 一种抑制器件斜坡误差影响的光纤捷联惯组往复式两位置寻北方法
CN105737842A (zh) 基于旋转调制和虚拟里程仪的车载自主导航方法
CN109459008A (zh) 一种小型中高精度光纤陀螺寻北装置及方法
CN103900607A (zh) 一种基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法
CN103940445B (zh) 一种单轴旋转惯导系统惯性器件误差补偿方法
CN111006675A (zh) 基于高精度重力模型的车载激光惯导系统自标定方法
CN105115519A (zh) 应用于动中通系统的惯导系统初始对准方法
CN110488853B (zh) 一种降低转轴涡动影响的混合式惯导系统稳定控制指令的计算方法
CN103575300A (zh) 一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant