CN103913168A - 一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于惯性导航技术领域，涉及可用于提高惯性导航系统的导航精度的一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法。本发明包括：建立一个双轴转位机构；获得初始捷联姿态矩阵；进行转动；通过导航解算实时获得系统的导航参数。本发明设计了一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法，该方法综合考虑了光纤陀螺捷联惯性导航系统器件本身的特性和转台控制的简单便捷性，可以最快速度的完全调制平均IMU转动角速度引起的误差，此外还可以尽可能多的消除地球自转角速度引起的误差，避免地球自转角速度引起的残余误差在地理坐标系的同一根轴上重复累积，从而提高系统的精度。

Description

一种双轴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，涉及可用于提高惯性导航系统的导航精度的一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法。
背景技术
捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS）中，人们对于构成惯性测量单元的陀螺仪和加速度计等惯性器件的持续研究推动了惯性器件的快速发展。器件精度越高，进一步提升器件精度的代价就越大，而随着国防工业对武器系统低成本,高可靠性，易维护性的要求越来越高，因此采用误差自补偿技术来提高惯性导航系统的定位精度是惯性技术发展的主要方向之一。
在双轴旋转调制型捷联惯性导航系统中，系统调制方案的优劣将直接影响器件误差的调制效果。光纤陀螺由于其器件的动态性能不稳定，容易受外界环境影响等特点，在选取双轴旋转调制方案的时候要特别注意陀螺标度因数误差与安装误差对系统的影响。由于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,IMU）的旋转角速度远大于地球自转角速度分量，因此在设计转动方案时必须优先考虑。
目前比较常用的双轴旋转调制方案为十六位置转停方案，控制转台带动IMU依次绕其方位轴和水平轴转动180度（zs+，ys+，zs-，ys-，ys-，zs-，ys+，zs+，zs-，ys-，zs+，ys+，ys+，zs+，ys-，zs-，），此方案在惯性器件动态特性较稳定，系统标定结果较好且IMU转动速度较小的时候可以取得比较理想的平均效果。在光纤陀螺捷联惯性导航系统中，陀螺标度因数误差和安装误差与IMU旋转角速度以及地球自转角速度的耦合项均可造成系统误差在较大的幅值范围内波动，因此需要在最小化系统误差的原则下，设计一种更可靠的双轴旋转调制方案，提高系统的实时定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在优先调制平均器件误差与IMU旋转角速度耦合项的前提下，同时尽可能多的抵消期间误差与地球自转角速度的耦合项，提高系统的导航精度的一种双轴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：
一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法，包括下列步骤：
步骤一：建立一个双轴转位机构，使惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,IMU）的三根轴与转位机构的三轴平行，系统开机预热1小时；
步骤二：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；
步骤三：初始对准完成后，控制转台带着IMU分别绕IMU坐标系的ys轴和zs轴按照下列次序进行转动：
a.第一组转动次序为先绕zs轴正向（逆时针）转动180度，再绕ys轴反向（顺时针）转动180度，然后绕zs轴正向转动180度，再绕ys轴反向转动180度，转速为20°/s，每次转动180度后停止45s；
b..第二组转动次序为先绕ys轴正向转动180度，再绕zs轴反向转动180度，然后绕ys轴正向转动180度，再绕zs轴反向转动180度，转速和在每个位置的停止时间与第一组相同；
c.第三组是第一组的对称，转动轴不变，转动方向相反。控制转台带着IMU按以下次序先后转动180度（zs-，ys+，zs-，ys+），转速和停止时间不变；
d.第四组是第二组的对称，与第二组相比，转动轴相同，转动方向相反。控制转台带着IMU按以下次序先后转动180度（zs-，ys+，zs-，ys+），转速和停止时间不变；
步骤四：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。
所述的步骤三中，惯性测量单元旋转次序是首先给定次序一的转轴和方向，通过次序一的旋转过程，器件误差被调制成三角函数形式，再通过导航计算机的积分过程，部分误差被调制为零，而非零的误差项则参与到下一次转动方案的选取过程中，以尽快消除较大误差项对系统的影响为原则，与下一次旋转过程中的残余误差互相抵消，然后依次参照此过程至最后一次旋转结束。
本发明的有益效果在于：本发明设计了一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法，该方法综合考虑了光纤陀螺捷联惯性导航系统器件本身的特性和转台控制的简单便捷性，可以最快速度的完全调制平均IMU转动角速度引起的误差，此外还可以尽可能多的消除地球自转角速度引起的误差，避免地球自转角速度引起的残余误差在地理坐标系的同一根轴上重复累积，从而提高系统的精度。
附图说明
图1是方案选择过程的流程图。
图2是本方案的转位方案图。
图3是本方案与常用方案的仿真对比图。
图4是本方案与常用方案的实验对比图。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明做进一步描述。
本发明的原理是：双轴旋转调制技术是将惯性测量元件的输出误差调制成随三角函数周期变化的形式，在导航解算的过程中，利用积分运算自动将误差平均掉，从而提高系统精度。由于IMU转动角速度远大于地球自转角速度，因此在调制方案中需要优先调制系统转动角速度与器件误差的耦合项；同时又因为在光纤陀螺SINS中，地球自转角速度与器件误差的耦合项也不容忽视；所以在选择最优双轴旋转调制方案的时候，要在最快消除大误差（器件误差与IMU转动角速度的耦合项）的同时，消除更多的小误差（器件误差与地球自转角速度的耦合项），以提高系统的导航定位精度。
（1）首先将惯性测量单元安装在指定的转台上，使IMU坐标系的三根轴与转台坐标系的三根轴平行，安装完成后，对系统预热1小时；
（2）用现有技术对系统经行对准，包括粗对准与精对准两个过程，粗对准过程简历系统的初始姿态矩阵，精对准过程通过引入外速度修正系统的初始捷联姿态矩阵；
（3）控制IMU按照附图2设定的转位方案逐次旋转，并以每秒98个数的频率采集陀螺仪和加速度计的输出数据。附图2所描述的转动过程包括以下步骤：
a.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
b.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
c.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
d.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
e.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
f.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
g.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
h.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
i.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
j.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
k.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
l.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
m.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
n.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
o.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的ys轴反向转动180度，然后在此位置停留45s；
p.控制转台以20°/s的速度绕IMU坐标系的zs轴正向转动180度，然后在此位置停留45s；
（4）将陀螺仪和加速度计的输出数据实时的输入到导航计算机中，解算出系统的导航参数值。
本发明所涉及的十六次序双轴旋转方案的选取过程参照附图1，第一次旋转的转动轴和旋转方向是预先设定的。在每次旋转过程，器件误差分别与sinα、cosα、sin2α和cos2α耦合。经过导航计算机积分，使得与cosα、sin2α和cos2α耦合的器件误差被周期性的调制为零；与sinα耦合的器件误差以及直流分量都是残余误差，它们对下一次转动方案的选取起决定性作用。为了尽快消除较大残余误差项对系统的影响，应控制后续的转动次序，使相近的同轴转动可完全抵消IMU转动角速度与光纤陀螺标度因数和安装误差角之间的耦合项；此外，相邻的异轴旋转之间还可以互相消除较多的地球自转角速度引起的误差项。

Claims (2)

1.一种双轴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：建立一个双轴转位机构，使惯性测量单元的三根轴与转位机构的三轴平行，系统开机预热1小时；
步骤二：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；
步骤三：初始对准完成后，控制转台带着惯性测量单元分别绕惯性测量单元坐标系的ys轴和zs轴按照下列次序进行转动：
a.第一组转动次序为先绕zs轴正向转动180度，再绕ys轴反向转动180度，然后绕zs轴正向转动180度，再绕ys轴反向转动180度，转速为20°/s，每次转动180度后停止45s；
b.第二组转动次序为先绕ys轴正向转动180度，再绕zs轴反向转动180度，然后绕ys轴正向转动180度，再绕zs轴反向转动180度，转速和在每个位置的停止时间与第一组相同；
c.第三组是第一组的对称组，转动轴不变，转动方向相反。控制转台带着惯性测量单元按以下次序先后转动180度（zs-，ys+，zs-，ys+），转速和停止时间不变；
d.第四组是第二组的对称组，与第二组相比，转动轴相同，转动方向相反。控制转台带着IMU按以下次序先后转动180度（zs-，ys+，zs-，ys+），转速和停止时间不变；
步骤四：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所述的一种双轴旋转式捷联惯导系统转位方法，其特征在于：
所述的步骤三中，惯性测量单元旋转次序是首先给定次序一的转轴和方向，通过次序一的旋转过程，器件误差被调制成三角函数形式，再通过导航计算机的积分过程，部分误差被调制为零，而非零的误差项则参与到下一次转动方案的选取过程中，以尽快消除较大误差项对系统的影响为原则，与下一次旋转过程中的残余误差互相抵消，然后依次参照此过程至最后一次旋转结束。
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