CN103900607A - 一种基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种可用于提高惯性导航系统的精度的基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法。本发明包括：获得初始捷联姿态矩阵；使IMU坐标系与惯性坐标系重合；使IMU坐标系与地心惯性系保持相对静止；控制IMU绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按照次序进行转动：通过导航解算实时获得系统的导航参数。本发明所涉及的旋转方案基于惯性系，控制IMU始终相对绕惯性坐标轴按指定的角速度转动，从而可以避免在导航解算时地球自转角速度分量与器件误差耦合引起系统导航误差，从而系统精度不受地球自转角速度分量的影响。

Description

一种基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种可用于提高惯性导航系统的精度的基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法。

背景技术

在船用惯性导航系统中，对陀螺仪和加速度计的精度以及系统持续工作时间的要求都比较高，高精度的惯性导航系统要采用高性能的惯性传感器与先进的系统技术，由于工艺制造水平的限制，制造高性能的惯性传感器不仅难度大，还将提高整个惯性导航的成本，因此先进的系统技术一直以来都是高精度惯性导航的研究热点。

旋转调制技术是一种惯性器件偏差自补偿方法，该方法通过对惯性器件偏差的调制来抵消该误差项对系统的影响。目前常用的单轴旋转式捷联惯导系统和双轴旋转式捷联惯导都是基于地理坐标系的旋转，系统中总是存在陀螺刻度因数误差和安装误差与地球转速的耦合项，并且利用旋转调制无法完全消除这两项误差源对系统的影响。

要获得高精度的捷联惯导系统，必须采用先进的转位方法避免陀螺刻度因数误差和安装误差与地球转速的耦合，且系统能在一个完整的旋转调制周期内将惯性测量单元（InertialMeasurement Unit,IMU）的输出误差调制为零。各坐标系的定义如下：IMU坐标系的x_s、y_s和z_s轴分别沿IMU的三个陀螺仪；载体坐标系的x_b、y_b和z_b轴分别沿载体的右、前、上方向；地理坐标系的x_n、y_n和z_n轴分别沿地理的东、北、天方向；惯性坐标系的x_i、y_i轴分别沿地心指向两颗固定的恒星，z_i轴方向与地球自转角速度矢量的方向相同。

发明内容

本发明的目的在于提出一种避免陀螺刻度因数误差和安装误差与地球转速的耦合，且系统能在一个完整的旋转调制周期内将IMU的输出误差调制为零，从而提高系统的导航精度的基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：将捷联惯导系统的IMU安装在转位机构上，在现有技术下对系统进行初始对准，获得初始捷联姿态矩阵

步骤二：测量初始时刻IMU坐标系相对惯性坐标系的姿态角，控制转位机构带动IMU按照测量出的姿态角逐次转动，使IMU坐标系与惯性坐标系重合；

步骤三：控制转位机构绕IMU坐标系的z_s轴顺时针以大小为ω_ie的旋转角速度转动，使IMU坐标系与地心惯性系保持相对静止；

步骤四：控制IMU绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按照下列次序进行转动：

a.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

b.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

c.绕y_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

d.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

e.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

f.绕y_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

所述的步骤四中，IMU在绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按固定的角速度

依次旋转时，根据式（1）实时测量出惯性系与导航系之间的转动角速度

式中，V_x、V_y和

是捷联惯性导航系统解算得到的东向速度、北向速度和纬度；

是地心惯性坐标系到IMU坐标系的转动方向余弦矩阵，由转动角速度的正余弦函数组成；是导航坐标系到地心惯性坐标系的转动方向余弦矩阵，由经纬度和地球自转角速度组成。

同时，将捷联惯性导航系统解算得到的载体坐标系与导航坐标系之间的旋转角速度

投影到IMU坐标系，实时测量得到

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s=C_i^s{C}_n^i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^n$

利用测量得到的

和

以及IMU绕地心惯性坐标系的旋转角速度在IMU坐标系的投影

测量出转位机构施加给IMU的旋转角速度矢量

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bs}}^s={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{is}}^s-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s)$

利用捷联惯导系统实时测量得到的IMU控制角速度

控制IMU的三根轴共同旋转，从而实现步骤四。

步骤五：在转台开始旋转以后，将陀螺仪和加速度计采集的数据实时的输入到导航计算机中，通过导航解算实时获得系统的导航参数。

本发明的有益效果在于：本发明所涉及的旋转方案基于惯性系，控制IMU始终相对绕惯性坐标轴按指定的角速度转动，从而可以避免在导航解算时地球自转角速度分量与器件误差耦合引起系统导航误差，从而系统精度不受地球自转角速度分量的影响；此外本发明所涉及的转位方案可以在一个完整的旋转调制周期内将器件的常值误差、标度因数误差和安装误差调制为零，从而提高捷联惯导系统的长时间导航精度。

附图说明

图1是方案实施流程图；

图2是

的计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和2对本发明做进一步描述。

本发明的原理是：通过测量初始时刻IMU与惯性坐标系之间的姿态角，利用转位机构控制IMU坐标系与惯性坐标系重合，并控制IMU按步骤五中的转位方案绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴逐次旋转。当IMU绕z_i轴顺时针转动360度时，水平轴的器件误差可完全调制为零，方位轴无法调制；当IMU绕z_i轴逆时针转动360度时，不仅水平轴的器件误差完全调制为零，方位轴上由IMU旋转角速度引起的误差还可以与次序一抵消；当IMU绕y_i轴顺时针转动180度后，IMU的方位轴与z_i轴方向相反，同理当IMU绕z_i轴先顺时针转动360度，再逆时针转动360度后，不仅能将水平轴的器件误差完全调制为零，抵消方位轴上由IMU旋转角速度引起的误差，还能抵消次序一和次序二方位轴上残余的陀螺漂移引起的误差；最后再控制IMU绕y_i轴逆时针转动180度，抵消次序三中的残余误差，从而保证系统在一个完整的旋转调制周期内将IMU的输出误差调制为零，从而提高系统的导航精度。

(1)将IMU安装在转位机构上，在现有技术下对系统进行初始对准，获得初始捷联姿态矩阵

(2)测量初始时刻IMU坐标系相对惯性坐标系的姿态角，控制转位机构带动IMU按照测量出的姿态角逐次转动，使IMU坐标系与惯性坐标系重合。

(3)控制转位机构绕IMU坐标系的z_s轴顺时针以大小为ω_ie的旋转角速度转动，使IMU坐标系与地心惯性系保持相对静止。

(4)控制IMU绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按照下列次序进行转动：

a.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

b.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

c.绕y_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

d.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

e.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

f.绕y_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

所述的步骤四中，IMU在绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按固定的角速度

依次旋转时，根据式（1）实时测量出惯性系与导航系之间的转动角速度

式中，V_x、V_y和

是捷联惯性导航系统解算得到的东向速度、北向速度和纬度；

是地心惯性坐标系到IMU坐标系的转动方向余弦矩阵，由转动角速度的正余弦函数组成；是导航坐标系到地心惯性坐标系的转动方向余弦矩阵，由经纬度和地球自转角速度组成，其测量公式为：

由于ω_ie＜＜ω，ω是IMU的旋转角速度，因此在每一次转动周期中，可以认为

是常值。

同时，将捷联惯性导航系统解算得到的载体坐标系与导航坐标系之间的旋转角速度

投影到IMU坐标系，实时测量得到

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s=C_i^s{C}_n^i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^n---\left(3\right)$

利用测量得到的

和

以及IMU绕地心惯性坐标系的旋转角速度在IMU坐标系的投影

测量出转位机构施加给IMU的旋转角速度矢量

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bs}}^s={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{is}}^s-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s)---\left(4\right)$

利用捷联惯导系统实时测量得到的IMU控制角速度

控制IMU的三根轴共同旋转，从而实现步骤四。

Claims (2)

1.一种基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一：将捷联惯导系统的IMU安装在转位机构上，在现有技术下对系统进行初始对准，获得初始捷联姿态矩阵

步骤二：测量初始时刻IMU坐标系相对惯性坐标系的姿态角，控制转位机构带动IMU按照测量出的姿态角逐次转动，使IMU坐标系与惯性坐标系重合；

步骤三：控制转位机构绕IMU坐标系的z_s轴顺时针以大小为ω_ie的旋转角速度转动，使IMU坐标系与地心惯性系保持相对静止；

步骤四：控制IMU绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按照下列次序进行转动：

a.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

b.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

c.绕y_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

d.绕z_i轴顺时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

e.绕z_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动360度；

f.绕y_i轴逆时针以大小为20ο/s的旋转角速度转动180度；

步骤五：在转台开始旋转以后，将陀螺仪和加速度计采集的数据实时的输入到导航计算机中，通过导航解算实时获得系统的导航参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性系的旋转式捷联惯导系统转位方法，其特征在于：

所述的步骤四中，IMU在绕地心惯性坐标系的z_i轴和y_i轴按固定的角速度

依次旋转时，根据式（1）实时测量出惯性系与导航系之间的转动角速度

式中，V_x、V_y和

是捷联惯性导航系统解算得到的东向速度、北向速度和纬度；

是地心惯性坐标系到IMU坐标系的转动方向余弦矩阵，由转动角速度的正余弦函数组成；

是导航坐标系到地心惯性坐标系的转动方向余弦矩阵，由经纬度和地球自转角速度组成；

同时，将捷联惯性导航系统解算得到的载体坐标系与导航坐标系之间的旋转角速度

投影到IMU坐标系，实时测量得到

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s=C_i^s{C}_n^i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^n$

利用测量得到的

和

以及IMU绕地心惯性坐标系的旋转角速度在IMU坐标系的投影

测量出转位机构施加给IMU的旋转角速度矢量

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bs}}^s={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{is}}^s-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}^s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^s)$

利用捷联惯导系统实时测量得到的IMU控制角速度

控制IMU的三根轴共同旋转，从而实现步骤四。

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