CN102620735B - 一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法 - Google Patents
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Abstract
一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,属于惯性导航技术领域,其系统包括惯性敏感单元和具有计算机的监控单元,还有双轴旋转机构;惯性敏感单元安装在双轴旋转机构上;双轴旋转机构内轴与惯性敏感单元的坐标系XsYsZs的Zs轴平行;系统的转位方法为周期性控制双轴旋转机构内轴和外轴转动,周而复始。本发明的优点是:步骤简单,解决了传统双轴转位方案不能补偿标度因数误差与地球自转耦合误差的问题,有效提高船用捷联惯导系统的长航时导航精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,属于惯性导航技术领域。
背景技术
惯性敏感单元(包括有陀螺、加速度计)的误差是惯性导航系统误差的主要来源,其中以常值漂移、标度因数误差对系统误差的影响最为突出。目前,针对船用捷联惯导系统,通常采用旋转调制的方法自动补偿敏感器件误差,达到更高的导航精度。旋转调制方法是在捷联惯导系统的基础上增加转动和控制机构,通过控制捷联惯导系统本体按照一定规律转动和停止,将惯性敏感器件常值误差调制成周期变化的形式,使得常值误差在一个周期内的积分或均值尽量接近零,从而提高系统导航精度。
针对船用捷联惯导系统,传统的双轴旋转方案为十六次序转位方法,该方法能补偿所有陀螺常值误差,但转位方案复杂且不能补偿惯性敏感器件的标度因数误差与地球自转耦合误差,此耦合误差造成经度误差随时间发散,使得系统在长航时条件下的导航精度明显下降。在相对于导航系的转位方案中,要克服此耦合项误差理论上需要三个转轴,转轴数目增多将增加系统成本和转动控制机构的复杂度。
所以,针对长航时高精度船用双轴旋转式捷联惯导系统,降低转位方案的复杂度并抑制标度因数误差与地球自转耦合误差对导航精度的影响是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,降低转位方案的复杂度并抑制标度因数误差与地球自转耦合误差对导航精度的影响,进一步提高旋转式捷联惯导系统的长航时定位精度。
本发明的目的是这样实现的:
一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,其船用双轴旋转式捷联惯导系统包括惯性敏感单元和具有计算机的监控单元,还有双轴旋转机构;惯性敏感单元包括陀螺及加速度计,安装在双轴旋转机构上;双轴旋转机构内轴与惯性敏感单元的坐标系XsYsZs的Zs轴平行;船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位包括如下步骤:
G、依次重复A~F步骤,周而复始。
进一步的技术方案是:
其中:s系为惯性敏感单元的坐标系,b系为载体坐标系,XbYbZb分别对应载体右前上,n系为导航系,与地理坐标系重合,内轴和外轴的坐标系为系,内轴与系Z轴平行,外轴与系X轴平行,右手法则确定系Y轴,系外轴相对于b系保持不变, 表示m系相对于k系的转换矩阵,上标m分别代表上式中的、b、s,下标k分别代表上式中的b,s,n;;为地球自转角速度在n系的投影。
第一步、确定陀螺在载体坐标系b的等效输出误差:
在 (2)式中:右边第二项为捷联惯导系统本体转动与标度因素误差的耦合误差,通过正反交替旋转相互抵消;右边第三项为陀螺常值漂移,一个周期内积分为0;右边第一项为地球自转与标度因素误差的耦合误差:
当外轴正转时:
当外轴反转时:
在正反转一周之后,(2)式右边第一、二项在X轴分量在一个周期内积分为0; 在一个周期内积分为一个小角度,对的影响忽略,(2)式第三项一个周期内积分为0;该转动能补偿惯性敏感单元的常值误差以及耦合误差在X轴的分量;
矩阵的第一行所示的转动角度在外轴的分量;
步骤D、F中外轴反转,求解出为:
矩阵的第一行所示的转动角度在外轴的分量。
本发明的技术效果显著:
本发明降低了双轴转位方案的复杂度,自动补偿惯性敏感单元常值误差对导航精度的影响,提高了长航时船用捷联惯导系统的导航精度。
附图说明
图1为本发明的转位方案流程图;
图2为实施例2中采用本发明方法的系统定位误差;
图3为实施例2中采用本发明方法的系统径向误差;
图4为实施例3中采用本发明方法的系统定位误差;
图5为实施例3中采用本发明方法的系统径向误差;
图6为实施例3中采用现有传统方法的系统定位误差;
图7为实施例3中采用现有传统方法的系统径向误差。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
本实施例是一个基本实施例,图1所示是本发明的转位方案流程图,为系统转位方法步骤的示意图。所述一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,其船用双轴旋转式捷联惯导系统包括惯性敏感单元和具有计算机的监控单元,还有双轴旋转机构;惯性敏感单元包括陀螺及加速度计,安装在双轴旋转机构上;双轴旋转机构内轴与惯性敏感单元的坐标系XsYsZs的Zs轴平行;船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位包括如下步骤:
G、依次重复A~F步骤,周而复始。
其中:s系为惯性敏感单元的坐标系,b系为载体坐标系,XbYbZb分别对应载体右前上,n系为导航系,与地理坐标系重合,内轴和外轴的坐标系为系,内轴与系Z轴平行,外轴与系X轴平行,右手法则确定系Y轴,系外轴相对于b系保持不变, 表示m系相对于k系的转换矩阵,上标m分别代表上式中的、b、s,下标k分别代表上式中的b,s,n;;为地球自转角速度在n系的投影。
第一步、确定陀螺在载体坐标系b的等效输出误差:
(2)
在 (2)式中:右边第二项为捷联惯导系统本体转动与标度因素误差的耦合误差,通过正反交替旋转相互抵消;右边第三项为陀螺常值漂移,一个周期内积分为0;右边第一项为地球自转与标度因素误差的耦合误差:
当外轴正转时:
当外轴反转时:
(4)
在正反转一周之后,(2)式右边第一、二项在X轴分量在一个周期内积分为0; 在一个周期内积分为一个小角度,对的影响忽略,(2)式第三项一个周期内积分为0;该转动能补偿惯性敏感单元的常值误差以及耦合误差在X轴的分量;
在步骤B中,外轴正转,系外轴相对于b系保持不变,转动角度为:
(6)
其中:为步骤B刚开始时,s系相对于b系的转换矩阵;
实施例2:
与实施例1不同的是:忽略惯性测量单元的标度因素误差,取转动时间等于15秒。本实施例是将本发明应用于一船用双轴旋转式捷联惯导系统,捷联惯导系统中陀螺常值漂移均为0.01°/h,加速度计零偏均为10-4g, 系与b系姿态一致且始终保持不变,s系与b系初始时刻姿态一致,载体朝东行驶。惯导所在地理位置为(114.396,30.501)。
第一个转动周期中:
第二个转动周期中:
步骤B中:为-359.892002572695°,
从第三个转动周期之后不再列举;
本发明的技术效果显著,定位误差和径向误差分别如图2和图3所示;从图2可以看出,在不考虑惯性测量单元标度因数误差时,系统的经度误差收敛,从图3可以看出,径向误差在0.006nmile附近振荡,最大值小于0.012nmile。说明采用本发明方法能完全补偿惯性测量单元常值误差。
实施例3:
与实施例2不同的是:考虑惯性测量单元的标度因素误差,取转动时间等于15秒。本实施例是将本发明应用于一船用双轴旋转式捷联惯导系统,捷联惯导系统中陀螺常值漂移均为0.01°/h,标度因素误差均为10ppm,加速度计零偏均为10-4g,标度因素误差为10ppm,取=15s,系与b系姿态一致且始终保持不变,s系与b系初始时刻姿态一致,载体朝东行驶, 惯导所在地理位置为(114.396,30.501)。
第一个转动周期中:
第二个转动周期中:
从第三个转动周期之后不再列举;
本发明的技术效果显著,定位误差和径向误差分别如图4和图5所示;传统十六位置转序方案的定位误差和径向误差分别如图6和图7所示。
在标度因数误差均为10ppm条件下,从图6可以看出现有传统十六位置转序方案的径向误差发散速度约为0.2nmile/d;对比图4可以看出本发明方法的经度误差的径向误差发散速度约为0.05nmile/d。从图7可以看出现有传统十六位置转序方案在48小时导航定位误差为0.4nmile;对比图5可以看出本发明方法在48小时导航定位误差为0.1nmile。说明采用本发明方法能有效降低标度因数误差与地球自转耦合误差。
实施例4:
与实施例2不同的是:考虑惯性测量单元的标度因素误差,取转动时间等于8秒。
实施例5:
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
Claims (5)
1.一种船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位方法,其特征在于,船用双轴旋转式捷联惯导系统包括惯性敏感单元和具有计算机的监控单元,还有双轴旋转机构;惯性敏感单元包括陀螺及加速度计,安装在双轴旋转机构上;双轴旋转机构内轴与惯性敏感单元的坐标系XsYsZs的Zs轴平行;船用双轴旋转式捷联惯导系统的转位包括如下步骤:
E、控制双轴旋转机构内轴以恒定角速度转动,转动角度为-360°,转动时间为2;
G、依次重复A~F步骤,周而复始;
所述的D、F步骤中转动角度为:
其中:s系为惯性敏感单元的坐标系,b系为载体坐标系,XbYbZb分别对应载体右前上,n系为导航系,与地理坐标系重合,内轴和外轴的坐标系为系,内轴与系Z轴平行,外轴与系X轴平行,右手法则确定系Y轴,系外轴相对于b系保持不变,表示m系相对于k系的转换矩阵,上标m分别代表上式中的、b、s,下标k分别代表上式中的b,s,n;;为地球自转角速度在n系的投影;
第一步、确定陀螺在载体坐标系b的等效输出误差:
在 (2)式中:右边第二项为捷联惯导系统本体转动与标度因素误差的耦合误差,通过正反交替旋转相互抵消;右边第三项为陀螺常值漂移,一个周期内积分为0;右边第一项为地球自转与标度因素误差的耦合误差:
当外轴正转时:
(3)
当外轴反转时:
在正反转一周之后,(2)式右边第一、二项在X轴分量在一个周期内积分为0; 在一个周期内积分为一个小角度,对的影响忽略,(2)式右边第三项一个周期内积分为0;该转动能补偿惯性敏感单元的常值误差以及耦合误差在X轴的分量;
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