CN102749079A - 一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及到一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构。目的是提高惯导系统的对准精度以及长航时导航精度。本方法包括：步骤(S1)建立一个双轴旋转机构，使惯性测量单元的任意两个轴向与双轴旋转机构的两个旋转轴平行，且旋转轴的旋转是连续的；步骤(S2)控制旋转机构旋转，进行初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；步骤(S3)使旋转机构双轴同时旋转，进行惯性导航，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。通过构建连续旋转的双轴旋转机构，能够更好的调制惯性器件的误差，提高导航精度；通过双轴旋转调制以及姿态矩阵转换，可以得到运载体坐标系内的姿态矩阵，从而得到准确的运载体运动参数。

Description

一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及到一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构。

背景技术

在进行高精度光纤捷联惯导系统的研制过程中，由于光纤陀螺漂移受温度影响比较剧烈，在恒温条件下零偏稳定性能达到0.01°/h的陀螺，在变温条件下只能达到0.03°/h甚至更差，从而使惯导系统的导航精度仅能达到3n mile/h左右。

为提高惯导系统精度，可采用单轴旋转调制技术设计惯导系统，通过绕垂向轴进行单轴旋转调制算法，抑制水平陀螺漂移的影响；利用上述惯导系统在转台上进行单轴旋转原理验证试验，导航精度达到了2n mile/5h；通过误差分析可知，影响系统导航精度的主要误差源是垂向陀螺漂移。由于光纤陀螺的漂移受温度影响会有较大变化，因此，采用单轴旋转调制技术很难满足航海领域的高精度导航的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构，提高惯导系统的对准精度以及长航时导航精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，包括如下步骤：

步骤(S1)建立一个双轴旋转机构，使惯性测量单元的任意两个轴向与双轴旋转机构的两个旋转轴平行，且旋转轴的旋转是连续的；

步骤(S2)控制旋转机构旋转，进行初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；

步骤(S3)使旋转机构双轴同时旋转，进行惯性导航，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。

如上所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其中：所述步骤(S3)中旋转机构双轴的旋转为往复整周旋转。

如上所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其中：所述初始对准包括粗对准和精对准两个阶段；粗对准时建立系统的初始姿态矩阵并装订初始位置和速度；精对准时估计并修正粗对准所得到的初始姿态矩阵的误差；所述精对准过程中控制旋转机构实现惯性测量单元绕自身方位轴往复旋转。

如上所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其中：所述精对准过程中，以速度误差和位置误差为观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来进行精对准，估计、修正初始航姿角误差。建立闭环卡尔曼滤波器时，系统状态变量为

$X={[\mathrm{\δL},\mathrm{\δ\λ},\mathrm{\δ}{V}_N,\mathrm{\δ}{V}_U,\mathrm{\δ}{V}_E,{\mathrm{\φ}}_N,{\mathrm{\φ}}_U,{\mathrm{\φ}}_E,{\▿}_x,{\▿}_y,{\▿}_z,{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ϵ}}_z]}^T$

δL、δλ、δV_N、δV_U、δV_E、φ_N、φ_U、φ_E、ε_x、ε_y、ε_z依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向误差角、方位误差角、东西误差角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移；

在闭环卡尔曼滤波过程中，每完成一次滤波计算，进行一次闭环修正，修正量如下：

位置修正：L＝L-X(1) λ＝λ-X(2)，L，λ分别表示纬度和经度；

速度修正：V_N＝V_N-X(3)，V_U＝V_U-X(4)，V_E＝V_E-X(5)，V_N，V_U，V_E分别表示北向速度、天向速度、东向速度；

姿态修正：

φ＝[X(6) X(7) X(8)]，

分别表示姿态矩阵，φ表示北向误差角、方位误差角、东西误差角组成的矢量，I表示三维单位矩阵；

加表零偏修正： $\left\{\begin{array}{c}{f}_x=f_x-{\▿}_x,f_y=f_y-{\▿}_y,f_z=f_z-{\▿}_z\\ {\▿}_x={\▿}_x+X\left(9\right),{\▿}_y={\▿}_y+X\left(10\right),{\▿}_z={\▿}_z+X\left(11\right)\end{array}\right.$

f_x，f_y，f_z分别表示三个加速度计的测量值，分别表示三个加速度计零偏；

陀螺漂移修正： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_x+X\left(12\right),{\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\ϵ}}_y+X\left(13\right),{\mathrm{\ϵ}}_z={\mathrm{\ϵ}}_z+X\left(14\right)\end{array}\right.$

ω_xω_yω_z分别表示三个陀螺仪的测量值，ε_xε_yε_z分别表示三个陀螺漂移；

X(k)，k＝1，2，…14表示系统状态变量X中的元素；

每次误差修正完成后，状态向量全部元素置零。

如上所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其中：惯性导航时在运载体转弯过程中，实时获得运载体的方位变化量；然后控制惯性测量单元的方位轴朝运载体转弯的反方向旋转，并保证该旋转角度与运载体的方位变化是等量反向的。

一种光纤捷联惯导双轴旋转机构，包括一个安装平台，两个相互垂直的旋转轴以及连接安装平台和旋转轴的框架；安装平台用于安装被旋转调制的装置，通过控制旋转轴或框架来实现安装平台上的装置绕旋转轴旋转。

如上所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转机构，其中：所述两个相互垂直的旋转轴为内轴和外轴，所述框架包括内框与外框；内轴与安装平台固连，内轴与内框相连且内框中置有控制内轴旋转的驱动机构；外轴与内框固连，外轴与外框相连且外框中置有控制外轴旋转的驱动机构；所述安装平台用于安装惯性测量单元，惯性测量单元的任意两个轴向与旋转轴平行。

本发明的有益效果是：

通过构建连续旋转的双轴旋转机构，能够更好的调制惯性器件的误差，提高导航精度；通过双轴旋转调制以及姿态矩阵转换，可以得到运载体坐标系内的姿态矩阵，从而得到准确的运载体运动参数。

通过单轴旋转方式来进行初始对准，简化了运算，提高了对准精度；通过控制旋转机构的方位轴朝运载体转弯的反方向等量旋转，可以避免运载体转弯过程中陀螺刻度系数误差造成的导航误差。

本发明提出的方法可以大大提高导航精度，能够满足水面舰艇或潜艇的导航需求，通过实验证明，采用本方法后导航精度达到2n mile/24h。

缓慢变化的陀螺漂移、陀螺/加速度计的安装误差均可被完全调制掉，不再影响导航精度；外框的运动隔离作用使得陀螺刻度系数误差不再因载体的持续转弯运动而累积航向误差，从而使系统不再有造成导航误差随时间线性累积的误差；连续旋转相比转位置的调制方式可以更好的消除陀螺漂移缓慢变化的影响。

附图说明

图1是本发明提供的双轴旋转机构的结构及其与惯性测量单元的安装关系；

图2是采用本发明的方法后的导航姿态角误差结果；

图3是采用本发明的方法后的导航精度误差结果；

其中，1.安装平台，2.内轴，3.内框，4.外轴，5.外框。

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光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及一种光纤捷联惯导双轴旋转机构进行介绍：

实施例1：

首先建立一个具有安装平台的双轴旋转机构，安装平台用于安装惯性测量单元(IMU)，惯性测量单元的任意两个轴向与双轴旋转机构的旋转轴平行，且旋转轴的旋转是连续的。

其次，控制旋转机构单轴或双轴同时旋转，进行初始对准，初始对准通常包括粗对准和精对准，得到初始姿态矩阵的误差。

最后，使旋转机构双轴同时旋转，进行惯性导航，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。

实施例2：

在实施例1的基础上，为了消除载体转弯运动造成的惯性测量单元的方位测量误差，惯性导航时在运载体转弯过程中，实时获得运载体的方位变化量；然后控制惯性测量单元的方位轴朝运载体转弯的反方向旋转，并保证该旋转角度与运载体的方位变化是等量反向的。

实施例3：

(S1)建立一个双轴旋转机构

双轴旋转机构包括一个安装平台，两个相互垂直的旋转轴以及连接安装平台和旋转轴的框架；安装平台用于安装被旋转调制的装置，通过控制旋转轴或框架来实现安装平台上的装置绕旋转轴的旋转。

一种具体实现方式如图1所示，双轴旋转机构包括相互垂直的内轴2和外轴4，内轴2与安装平台1固连，内轴2与内框3相连且内框3中置有控制内轴旋转的驱动机构，外轴4与内框3固连，外轴4与外框5相连且外框5中置有控制外轴4旋转的驱动机构，外框与载体固连。

安装平台1可用于安装惯性测量单元(IMU)，使惯性测量单元的任意两个轴向与旋转轴平行，图1中的放置方式为外轴与方位轴平行，内轴与俯仰轴平行。

上述双轴旋转机构的结构能够实现连续旋转，更好的调制光纤陀螺漂移和加速度计零偏。目前，高精度旋转调制式激光陀螺捷联惯导系统均采用间歇转位置的调制方式；与激光陀螺相比，光纤陀螺由温度引起的漂移比较大；为了更好的调制陀螺漂移，需要采用连续旋转而非间歇转位置的调制方式。

同时，上述双轴旋转机构的结构能够避免陀螺刻度系数的影响。与激光陀螺相比，光纤陀螺的刻度系数误差要高一个数量级，可达50ppm左右；若运载体转弯180°，则引起航向角误差0.018°，约1′；可见，需消除此误差的影响才能达到更高的导航精度(例如1nmile/24h)；而消除此误差最有效的方法是，当载体转弯时，控制旋转机构向相反的方向旋转，从而使陀螺不敏感运载体的转弯运动。

由于旋转机构在进行连续的旋转，因此，为了消除载体转弯运动造成的惯性测量单元的方位测量误差，应使旋转机构的外轴与惯性测量单元的方位轴平行，而内轴与惯性测量单元的俯仰轴或滚动轴平行。

(S2)控制旋转机构旋转，进行初始对准

初始对准包括粗对准和精对准两个阶段；粗对准时建立系统的初始姿态矩阵并装订初始位置和速度；精对准时以速度误差和位置误差为观测量，采用闭环卡尔曼滤波器估计并修正粗对准所得到的初始姿态矩阵的误差。精对准过程中需要控制旋转机构实现IMU绕自身方位轴往复旋转。

为举例说明，下面给出一种具体实现方式：

(S2.1)粗对准

控制旋转机构停留在180°位置(系统通电前IMU方位轴所指向的位置为0°)，静止3min，建立系统的初始姿态矩阵；装订初始位置和速度。过程中，旋转机构的两个旋转轴不旋转。本领域技术人员可根据具体情况设置停留位置和静止时间。

(S2.2)启动旋转机构

粗对准结束后，控制旋转机构使IMU由180°位置(系统通电前IMU方位轴所指向的位置为0°)开始，以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转，旋转换向时间最好不大于0.1s。本领域技术人员可根据具体情况设置旋转起始位置和静止时间。

(S2.3)精对准

以速度误差和位置误差为观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来进行精对准，估计、修正初始航姿角误差。建立闭环卡尔曼滤波器时，系统状态变量为

$X={[\mathrm{\δL},\mathrm{\δ\λ},\mathrm{\δ}{V}_N,\mathrm{\δ}{V}_U,\mathrm{\δ}{V}_E,{\mathrm{\φ}}_N,{\mathrm{\φ}}_U,{\mathrm{\φ}}_E,{\▿}_x,{\▿}_y,{\▿}_z,{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ϵ}}_z]}^T$

δL、δλ、δV_N、δV_U、δV_E、φ_N、φ_U、φ_E、

ε_x、ε_y、ε_z依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向误差角、方位误差角、东西误差角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移。

在闭环卡尔曼滤波过程中，每完成一次滤波计算，进行一次闭环修正，修正量如下：

位置修正：L＝L-X(1) λ＝λ-X(2)，L，λ分别表示纬度和经度；

速度修正：V_N＝V_N-X(3)，V_U＝V_U-X(4)，V_E＝V_E-X(5)，V_N，V_U，V_E分别表示北向速度、天向速度、东向速度；

姿态修正：

φ＝[X(6) X(7) X(8)]，

分别表示姿态矩阵，φ表示北向误差角、方位误差角、东西误差角组成的矢量，I表示三维单位矩阵。

加表零偏修正： $\left\{\begin{array}{c}{f}_x=f_x-{\▿}_x,f_y=f_y-{\▿}_y,f_z=f_z-{\▿}_z\\ {\▿}_x={\▿}_x+X\left(9\right),{\▿}_y={\▿}_y+X\left(10\right),{\▿}_z={\▿}_z+X\left(11\right)\end{array}\right.$

f_x，f_y，f_z分别表示三个加速度计的测量值，分别表示三个加速度计零偏。

陀螺漂移修正： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_x+X\left(12\right),{\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\ϵ}}_y+X\left(13\right),{\mathrm{\ϵ}}_z={\mathrm{\ϵ}}_z+X\left(14\right)\end{array}\right.$

ω_x，ω_y，ω_z分别表示三个陀螺仪的测量值，ε_x，ε_y，ε_z分别表示三个陀螺漂移。

X(k)，k＝1，2，…14表示系统状态变量X中的元素。

每次误差修正完成后，状态向量全部元素置零。

由于光纤陀螺噪声较小，一般精对准进行30min即可达到0.5′的精度，能够满足系统1nmile/24h的导航精度要求。

通过采用单轴旋转的方式来进行初始对准，在绕方位轴的单轴旋转调制下，系统速度误差变化情况比较简单；对准过程中不对陀螺漂移和加速度计零偏进行精确估计，而是在导航过程中由双轴旋转调制以抑制其导航误差。

此外，可以采用双轴旋转调制方式进行初始对准，但受惯性器件的刻度系数误差、安装误差以及零偏的影响，导航误差中会出现与旋转调制周期相同的分量，从而影响方位角误差估计值中出现周期性地波动，可能加长对准时间；也可以采用更为准确的对准模型来描述此误差变化，但需要在卡尔曼滤波器中采用更多的状态量，可能影响系统运算速度。

(S3)控制旋转机构旋转，进行双轴旋转调制及惯性导航

精对准结束后，系统进入惯性导航状态；为了调制所有惯性器件的误差，需要进行双轴旋转调制，并对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；具体步骤如下：

(S3.1)设定内轴初始位置在180°(系统通电前IMU俯仰/滚动轴所指向的位置为0°)，启动内轴，使IMU以一定的角速度绕俯仰/滚动轴往复整周旋转；

(S3.2)设定外轴初始位置在0°(系统通电前IMU方位轴所指向的位置为0°)，启动外轴，使IMU以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；

本领域技术人员可根据具体情况设置旋转轴初始位置。

(S3.3)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。

为避免运载体转弯过程中陀螺刻度系数误差造成的导航误差，在运载体转弯过程中，通过运载体坐标系内的姿态矩阵可以实时获得运载体的方位变化量；然后控制旋转机构的方位轴朝运载体转弯的反方向旋转，并保证该旋转角度与运载体的方位变化是等量反向的。

图2给出了光纤陀螺测试数据经本方法调制后累积的姿态误差角，不大于10″，使得0.03°/h的陀螺漂移经旋转调制后等效精度可达0.0003°/h；由于解决了光纤陀螺漂移受温度影响的问题，光纤陀螺刻度系数误差温补后可达10～50(ppm)，随机游走可达0.0003°/sqrt(h)，实现了光纤捷联惯导的高精度长航时导航能力。

未进行旋转调制前，所用光纤捷联惯导的导航精度为3nmile/h；采用本方法进行调制之后，系统24h定位误差均不大于2n mile，其中一条次试验的导航结果如图3所示，精度基本达到1n mile/24h。

由导航结果可见，本发明提出的双轴旋转调制方法，可用来设计高精度长航时的航海级光纤捷联惯导系统。

Claims (7)

1.一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，包括如下步骤：

步骤（S1）建立一个双轴旋转机构，使惯性测量单元的任意两个轴向与双轴旋转机构的两个旋转轴平行，且旋转轴的旋转是连续的；

步骤（S2）控制旋转机构旋转，进行初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；

步骤（S3）使旋转机构双轴同时旋转，进行惯性导航，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其特征在于：所述步骤（S3）中旋转机构双轴的旋转为往复整周旋转。

3.根据权利要求1所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其特征在于：所述初始对准包括粗对准和精对准两个阶段；粗对准时建立系统的初始姿态矩阵并装订初始位置和速度；精对准时估计并修正粗对准所得到的初始姿态矩阵的误差；所述精对准过程中控制旋转机构实现惯性测量单元绕自身方位轴往复旋转。

4.根据权利要求3所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其特征在于：所述精对准过程中，以速度误差和位置误差为观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来进行精对准，估计、修正初始航姿角误差。建立闭环卡尔曼滤波器时，系统状态变量为

δL、δλ、δV_N、δV_U、δV_E、φ_N、φ_U、φ_E、 ε_x、ε_y、ε_z依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向误差角、方位误差角、东西误差角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移； 

在闭环卡尔曼滤波过程中，每完成一次滤波计算，进行一次闭环修正，修正量如下：

位置修正：L=L-X(1)λ=λ-X(2)，L,λ分别表示纬度和经度；

速度修正：V_N=V_N-X(3),V_U=V_U-X(4),V_E=V_E-X(5)，V_N,V_U,V_E分别表示北向速度、天向速度、东向速度；

姿态修正： φ=[X(6)X(7)X(8)]′， 

分别表示姿态矩阵，φ表示北向误差角、方位误差角、东西误差角组成的矢量，I表示三维单位矩阵；

加表零偏修正：

f_x,f_y,f_z分别表示三个加速度计的测量值， 

分别表示三个加速度计零偏；

陀螺漂移修正：

ω_xω_yω_z分别表示三个陀螺仪的测量值，ε_xε_yε_z分别表示三个陀螺漂移；

X(k)，k＝1,2，…14表示系统状态变量X中的元素；

每次误差修正完成后，状态向量全部元素置零。

5.根据权利要求1至4所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法，其特征在于：惯性导航时在运载体转弯过程中，实时获得运载体的方位变化量；然后控制惯性测量单元的方位轴朝运载体转弯的反方向旋转，并保证该旋转角度与运载体的方位变化是等量反向的。

6.一种光纤捷联惯导双轴旋转机构，包括一个安装平台，两个相互垂直的旋转轴以及连接安装平台和旋转轴的框架；安装平台用于安装被旋转调制的装置，通过控制旋转轴或框架来实现安装平台上的装置绕旋转轴旋转。 

7.根据权利要求6所述的一种光纤捷联惯导双轴旋转机构，其特征在于：所述两个相互垂直的旋转轴为内轴和外轴，所述框架包括内框与外框；内轴与安装平台固连，内轴与内框相连且内框中置有控制内轴旋转的驱动机构，外轴与内框固连，外轴与外框相连且外框中置有控制外轴旋转的驱动机构；所述安装平台用于安装惯性测量单元，惯性测量单元的任意两个轴向与旋转轴平行。 

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