CN103292810A - 一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法，包括以下步骤：进行初始化及静态条件下的导航初始对准；采集转位机构实时角位置输出信号和IMU中陀螺仪实时敏感的角速率输出信号；转位机构角位置实时补偿；分别对转位机构输出信号和IMU中陀螺仪输出信号进行函数拟合，得出其类正弦函数的变化规律，从而得出转位机构变化函数的初始相位和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位；计算转位机构输出实时角位置信号相对于陀螺仪输出角速率信号的延迟时间ΔT；对ΔT进行判断：若不为零，则返回转位机构角位置实时补偿步骤，若为零则信号同步补偿完成。本发明所提出的方法为旋转式惯导系统精度的提高提出了一种简单可靠易行，成本相对低廉的方法。

Description

一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法

技术领域

本发明涉及的是一种信号处理方法，具体地说是导航系统的信号处理方法。

背景技术

旋转式惯导系统是在IMU的基础之上加上转位机构，通过转位机构的转动带动IMU以一定方式的旋转来达到补偿惯性器件常值漂移的目的。美国利用该技术已成功研制了MK39 MOD3C、MK49和AN/WSN-7等惯性导航系统，装备于美国和北约海军的多艘舰艇中，并取得了很好的应用效果。

在研制旋转式惯导系统的过程中，都是先研制高精度的惯性导航系统，然后在此基础之上对转位机构进行研究，最后将二者结合起来。但在研制过程中所使用的惯导系统和转位机构采用了独立的时钟信号，二者的信号在最后的导航解算中就出现了信号不同步的问题，这就会为实时性和同步性要求高的导航解算带来非常大的误差。因此为目前研制的旋转式惯导系统提供一种新的信号同步补偿方法已成为必然要求，这样既能不打破现有的模块化设计理念，节约系统构建成本，又能为信号同步补偿提供简单实用的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供消除旋转式惯导系统IMU输出信号与转位机构输出信号不同步从而对惯性导航精度产生影响的一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法，其特征是：

（1）进行初始化及静态条件下的导航初始对准，为实时导航提供初始基准；

（2）采集转位机构实时角位置输出信号

和IMU中陀螺仪实时敏感的角速率输出信号

（3）转位机构角位置实时补偿；

（4）分别对转位机构输出信号和IMU中陀螺仪输出信号进行函数拟合，得出其类正弦函数的变化规律；

（5）根据步骤（4）拟合出来的类正弦函数得出转位机构变化函数的初始相位

和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位

（6）根据

和

计算转位机构输出实时角位置信号相对于陀螺仪输出角速率信号的延迟时间ΔT；

（7）对ΔT进行判断：若不为零，则返回步骤（3），若为零则信号同步补偿完成。

本发明还可以包括：

1、延迟时间ΔT与转位机构变化函数的初始相位

和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位

的关系为：T为转位机构摇摆周期。

本发明的优势在于：

1、本发明无需因信号不同步问题重新对旋转式惯导系统进行同步时钟重新设计，避免了因重新进行整体设计所带来的一系列问题；

2、本发明所使用的方法保留了原先单独设计惯导系统和转位机构的方法，利于整个旋转式惯导系统的模块化设计；

3、本发明所使用的对信号延迟时间的测量和计算方法虽然是在静态条件下进行的，但动态条件对二者信号的影响是同步的，所以说此静态条件下计算出的信号延迟时间在动态条件下也是适用的；

4、由于系统采集的转位机构输出值频率要低于陀螺仪输出角速率频率，因此采用补偿转位机构输出值实现起来要比补偿陀螺仪输出角速率值要容易得多，在实际操作中更易于实现；

5、为了验证延迟时间补偿效果，可以从两个角度去分析和比较。一是比较补偿前后的转位机构推算角速度和陀螺采样角速度，二是比较补偿前后的导航解算精度。

附图说明

图1为旋转式惯导系统安装示意图；

图2为旋转式惯导系统信号同步补偿原理框图；

图3为本发明的流程图。

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，本发明的目的是针对目前研制的旋转式惯导系统IMU输出信号和转位机构输出信号不同步，而采用统一的同步时钟则需要对整个旋转式惯导系统进行重新设计，不利于系统模块化设计，增加系统成本等一系列问题，提出了一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法。

本发明是这样实现的：首先从转位机构输出信号相对IMU输出信号的时间延迟角度来分析因信号时间延迟所引起的转位机构角位置误差，以及转位机构角位置误差对系统导航解算的影响。

假设载体静止，IMU坐标系ox_sy_sz_s、载体坐标系ox_by_bz_b和导航坐标系ox_ny_nz_n重合。从0时刻开始，控制IMU绕竖直方向以恒定的角速度ω开始连续转动，不考虑其他误差因素的影响，则t₁时刻，IMU中陀螺仪输出的角速度为若转位机构的输出角度为θ(t₁)=ωt₁，则系统能够准确给出导航信息。假定转位机构与IMU数据不同步，不妨假设转位机构输出的角位置信息较IMU输出的信息存在延迟，且延迟时间为ΔT。因此，t₁时刻转位机构的实际输出角度为

这样在导航解算的过程中就产生了转位机构角位置误差，该误差的大小为：

$\mathrm{\δ\θ}=\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(t_1\right)-\mathrm{\θ}\left(t_1\right)=-\mathrm{\ω\ΔT}---\left(1\right)$

该误差在转位机构匀速转动的过程中都将存在，且该误差与采样时间无关，只和转位机构的转动角速度ω和转位机构相对IMU的延迟时间ΔT有关，该误差是常值转位机构角位置误差，该误差会引入到系统中，对系统精度产生影响。

转位机构的角位置误差δθ在IMU姿态到载体姿态转换的过程中，产生载体航向误差，其大小等于转位机构的角位置误差。则转位机构延迟时间ΔT引起的载体航向误差为：

δψ=-ωΔT    (2)

由上分析可知，若转位机构输出信息相对IMU输出信息的时间延迟ΔT=0.05s，转位机构的旋转角速率为ω=10°/s,则其对旋转式惯导系统产生的航向误差达0.5°,这在中高等精度惯导系统中是不可接受的。因此，准确测定延迟时间ΔT，并补偿掉该项误差，对提高系统精度具有十分重要的意义。

接下来提供一种新的思路测出IMU输出和转位机构输出之间的关系并运用一定的数学方法来实现对延迟时间ΔT的准确测定。

本专利从光纤陀螺陀螺输出角速率的积分值与转位机构角位置输出之间的关系来测出光纤陀螺输出与转位机构角位置输出时间关系，从而得到IMU姿态输出与转位机构角位置输出之间的时间关系。

对于旋转式惯导系统而言，光纤陀螺的输出角速度

主要由以下几个方面组成：地球自转角速度ω_ie、位置速率ω_en、载体姿态速率ω_nb和转位机构的转动角速度ω_bs，具体的表达形式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{is}}^s=C_n^s({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n)+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bs}}^s---\left(3\right)$

若载体处于静止状态，(3)式可写成：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{is}}^s=C_n^s{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bs}}^s---\left(4\right)$

假定转位机构作周期性摇摆运动，摇摆方程为：

式中，A表示摇摆幅值，T表示摇摆周期，

为初始相位，y₁₀为摇摆平衡位置，y₁为转位机构角位置，则转位机构运动角速率为：

式中

即转位机构摇摆运动角速度与转位机构摇摆运动角位置相位差为π/2。此时，光纤陀螺的测量值中，转位机构运动的角速率ω_bs(10°/s)远远大于地球自转角速率ω_ie(0.0042°/s)，在分析转位机构相对光纤陀螺延迟时间问题时，可将地球自转角速度忽略。则光纤陀螺测量值

应为：

而实际光纤陀螺输出值为：

若转位机构相对光纤陀螺无延迟，则

若转位机构相对光纤陀螺存在延迟时间ΔT，则ΔT可表示为：

因此，从(9)式可以知道，只要合理的测量出

和

或者二者的差值就可以通过计算得出转位机构输出信号相对于IMU输出信号的延迟时间ΔT。

在实际测量

和

时，我们可以同时采样转位机构的摇摆角位置信号和光纤陀螺输出角速率信号，然后分别运用正弦函数拟合的方法就可以得出两者的相位

和

最后根据(9)式求得转位机构输出信号相对于光纤陀螺输出信号的延迟时间ΔT。

最后根据得出的延迟时间完成对IMU输出信号和转位机构输出信号的同步补偿。若转位机构采样时间间隔为Step，t时刻采样值为

t-Step时刻采样值为

转位机构数据延迟时间为ΔT，则t时刻转位机构延迟补偿值为：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{tpredict}}=({\widetilde{\mathrm{\θ}}}_t-{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_{t-\mathrm{Step}})\mathrm{\ΔT}/\mathrm{Step}+{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_t---\left(10\right)$

该系统所使用的陀螺仪、加速度计、数据采集电路及系统控制电路均为典型器件和电路连接，所使用的导航解算算法为典型的捷联惯导解算算法，故不再对其原理图进行描述：

结合图1，图1所示为旋转式惯导系统安装示意图。其中转位机构4上面部分为1中惯性器件2和3的安装示意图。图中的ox_sy_sz_s为三轴正交的IMU坐标系，并且每个轴上都分别安装了一个陀螺仪3和加速度计2。每个轴上的陀螺仪用于测量绕对应轴旋转的角速率，加速度计用于测量沿对应轴的加速度，然后通过一定的导航解算算法就可以计算出运载体的速度，姿态信息（纵摇，横摇和航向）和定位信息（经度和纬度）。而每个轴上的惯性器件都存在常值漂移和随机漂移，这是影响整个惯导系统的最主要误差源，特别是对需要长时间远距离运行的惯导系统的姿态输出和位置输出会产生很大的影响。以转动IMU的方式可以对图中安装的陀螺仪和加速度计的常值漂移和慢变随机漂移起到周期性调制的作用，在很大程度上提高惯性导航系统的精度。

由于惯导系统解算过程在导航坐标系下进行，那么t时刻惯性器件偏差在导航坐标系上的调制形式可表示为

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_E\\ {\mathrm{\ϵ}}_N\\ {\mathrm{\ϵ}}_U\end{array}\right]=C_s^n\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x^s\\ {\mathrm{\ϵ}}_y^s\\ {\mathrm{\ϵ}}_z^s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x^s\cos \mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ϵ}}_y^s\sin \mathrm{\ωt}\\ {\mathrm{\ϵ}}_x^s\sin \mathrm{\ωt}+{\mathrm{\ϵ}}_y^s\cos \mathrm{\ωt}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z^s\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中

为三个轴上的陀螺常值漂移，从(11)式可以看出在x轴和y轴两个水平方向上的等效误差按正弦(余弦)规律变化。在一个旋转周期里均值为零，长期来看使得系统误差不再发散。

结合图2，图2所示为旋转式惯导系统信号同步补偿原理框图，详细介绍了转位机构输出信号补偿的原理。首先通过IMU中陀螺仪输出值

的变化规律可以拟合出类似正弦函数

由此可以得到陀螺仪输出值的初始相位

与此同时，通过转位机构输出值

也可以拟合出其类似正弦的变化规律

进而可以得到转位机构转动的初始相位

然后根据公式

就可以计算出转位机构输出角位置信号相对于陀螺仪输出角速率信号的延迟时间ΔT，最后将计算出的延迟时间ΔT用公式

进行计算，用于转位机构输出角度信号的实时补偿中，用预测出的角度值代替从转位机构输出的角度值，这样就完成了整个旋转式惯导系统的同步补偿。

为此可知本专利所述旋转式惯导系统信号同步补偿方法都是通过软件算法来实现的，无需对原有的硬件系统进行任何改变，大大降低了系统运行的成本。

结合图3，对该旋转式惯导系统信号同步补偿的程序流程进行阐述：该方法实现信号流程如下：

步骤1，系统上电完成初始化及静态条件下的导航初始对准过程，为实时导航提供初始基准，进入步骤2；

步骤2，采集转位机构实时角位置输出信号

和IMU中陀螺仪实时敏感的角速率输出信号

进入步骤3，步骤4；

步骤3，转位机构角位置实时补偿，进入步骤4；

步骤4，分别对转位机构输出信号和IMU中陀螺仪输出信号进行函数拟合，得出其类似正弦函数的变化规律，进入步骤5；

步骤5，根据步骤4拟合出来的正弦变化规律函数得出转位机构变化函数的初始相位

和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位

进入步骤6；

步骤6，根据步骤5计算出来的

和

计算出转位机构输出实时角位置信号相对于陀螺仪输出角速率信号的延迟时间ΔT，进入步骤7；

步骤7，将步骤6计算得到的信号延迟时间ΔT进行判断，若不为零，则进入步骤3，若为零则进入步骤8；

步骤8，信号同步补偿完成，程序运行结束。

Claims (2)

1.一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法，其特征是：

（1）进行初始化及静态条件下的导航初始对准，为实时导航提供初始基准；

（2）采集转位机构实时角位置输出信号

和IMU中陀螺仪实时敏感的角速率输出信号

（3）转位机构角位置实时补偿；

（4）分别对转位机构输出信号和IMU中陀螺仪输出信号进行函数拟合，得出其类正弦函数的变化规律；

（5）根据步骤（4）拟合出来的类正弦函数得出转位机构变化函数的初始相位

和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位

（6）根据和

计算转位机构输出实时角位置信号相对于陀螺仪输出角速率信号的延迟时间ΔT；

（7）对ΔT进行判断：若不为零，则返回步骤（3），若为零则信号同步补偿完成。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式惯导系统信号同步补偿方法，其特征是：延迟时间ΔT与转位机构变化函数的初始相位

和陀螺仪敏感值变化函数的初始相位

的关系为：

T为转位机构摇摆周期。

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