CN104251708A - 一种新的惯导快速双位置对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种惯性导航方法，具体涉及一种新的惯导快速双位置对准方法。它包括如下步骤，设置一个单轴旋转机构；单轴旋转机构负责安装惯性测量单元，按照预定方式旋转，实现对惯性器件误差的调制；将惯性测量单元安装在旋转机构上，启动旋转机构旋转；惯性测量单元导航计算；进行卡尔曼滤波计算；本发明的优点是，通过旋转调制技术抑制惯性器件误差，通过闭环卡尔曼滤波器消除初始误差影响，通过采用“速度+位置”匹配方式避免动态挠曲变形的影响，从而可在有动态挠曲变形且不提高惯性器件精度的情况下实现惯导系统的高精度动基座传递对准。

Description

一种新的惯导快速双位置对准方法

技术领域

本发明属于一种惯性导航方法，具体涉及一种惯导快速双位置对准方法。

背景技术

主、子惯导在进行动基座对准时，为提高对准精度，一般采用“速度＋姿态”的匹配方式。目前，国内外对这一方法的研究与应用已比较成熟，如：张洪钺编写的《几种传递对准方程的比较研究》，中国惯性技术学报，2003年第6期；陈凯等编写的《传递对准中一种新的姿态匹配算法》，西北工业大学学报，2007年第5期；李璞等编写的《速度加姿态匹配的传递对准算法研究》，导弹与航天运载技术，2009年第5期。

但是，在某些场合，主、子惯导之间距离较远，两者之间存在较大的动态挠曲变形，这会严重影响动基座对准的精度；此时，只能采用“速度”或“位置“匹配方式，对准精度会受到陀螺精度的限制，并且会受到初始装订误差的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的惯导快速双位置对准方法，它能够避免动态挠曲变形和初始航姿角误差对动基座对准精度的影响，并抑制陀螺漂移造成的对准误差。

本发明是这样实现的，一种新的惯导快速双位置对准方法，它包括如下步骤，

1）设置一个单轴旋转机构

单轴旋转机构负责安装惯性测量单元，按照预定方式旋转，实现对惯性器件误差的调制；

2）将惯性测量单元安装在旋转机构上

在单轴旋转机构上安装惯性测量单元，使得旋转轴与惯性测量单元的垂向轴平行；

3）启动旋转机构旋转

旋转机构在[-π，π]之间以10°/s的角速度匀速往复旋转；

4）惯性测量单元导航计算

装订主基准提供的导航参数，利用加速度计和陀螺的输入，按照标准捷联惯导解算流程进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；

5）进行卡尔曼滤波计算

根据速度和位置观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来估计、修正初始航姿角误差；滤波计算流程编排如下：

状态一步预测：X_k/k-1=Φ_k,k-1X_k-1

状态方差阵一步预测： $P_{k/k-1}={\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}{P}_{k-1}{\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}^T+{\mathrm{\Γ}}_{k-1}{Q}_{k-1}{\mathrm{\Γ}}_{k-1}^T$

滤波增益： $K_k=P_{k/k-1}{H}_k^T{(H_k{P}_{k/k-1}{H}_k^T+R_k)}^{-1}$

状态估计：X_k=X_k/k-1+K_k(Z_k-K_kX_k/k-1)

状态方差阵更新：P_k=(I-K_kH_k)P_k/k-1

其中

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

依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向偏角、方位偏角、东西偏角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移；

6）每完成一次滤波计算，随后进行一次闭环修正

位置修正：L=L-X(1)λ=λ-X(2)

速度修正：V_N=V_N-X(3),V_U=V_U-X(4),V_E=V_E-X(5)

姿态修正： $\begin{array}{cc}{C}_b^n=(I+[\mathrm{\φ}\×\left]\right)C_b^n& \mathrm{\φ}={\left[\begin{array}{ccc}X\left(6\right)& X\left(7\right)& X\left(8\right)\end{array}\right]}^{\′}\end{array}$

加表零偏修正： $\left\{\begin{array}{c}{f}_x=f_x-{\▿}_x,f_y=f_y-{\▿}_y,f_z=f_z-{\▿}_z\\ {\▿}_x={\▿}_x+X\left(9\right),{\▿}_y={\▿}_y+X\left(10\right),{\▿}_z={\▿}_z+X\left(11\right)\\ {\▿}_x\left(0\right)=0,{\▿}_y\left(0\right)=0,{\▿}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

陀螺漂移修正： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_x+X\left(12\right),{\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\ϵ}}_y+X\left(13\right),{\mathrm{\ϵ}}_z={\mathrm{\ϵ}}_z+X\left(14\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_y\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

状态向量修正：X(i)=0,(i=1-14)

按照以上步骤即可实现动基座传递对准。

本发明的优点是，通过旋转调制技术抑制惯性器件误差，通过闭环卡尔曼滤波器消除初始误差影响，通过采用“速度+位置”匹配方式避免动态挠曲变形的影响，从而可在有动态挠曲变形且不提高惯性器件精度的情况下实现惯导系统的高精度动基座传递对准。

附图说明

图1为某次对准试验方位角收敛过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

本发明在捷联惯导系统内部设有一个单轴旋转机构，将惯性测量单元安装在双轴旋转机构上，通过旋转机构的连续整周旋转来调制陀螺漂移、加速度计零偏等误差，抑制其对传递对准精度的影响；本发明采用“速度+位置”匹配方式，以避免动态挠曲变形的影响；本发明采用闭环卡尔曼滤波技术，以消除初始航姿角误差的影响。

一种新的惯导快速双位置对准方法，它包括如下步骤：

1）设置一个单轴旋转机构

单轴旋转机构负责安装惯性测量单元，按照预定方式旋转，实现对惯性器件误差的调制。

2）将惯性测量单元安装在旋转机构上

在单轴旋转机构上安装惯性测量单元，使得旋转轴与惯性测量单元的垂向轴平行。

3）启动旋转机构旋转

旋转机构在[-π，π]之间以10°/s的角速度匀速往复旋转。

4）惯性测量单元导航计算

装订主基准提供的导航参数，利用加速度计和陀螺的输入，按照标准捷联惯导解算流程进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息。

5）进行卡尔曼滤波计算

根据速度和位置观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来估计、修正初始航姿角误差；滤波计算流程编排如下：

状态一步预测：X_k/k-1=Φ_k,k-1X_k-1

状态方差阵一步预测： $P_{k/k-1}={\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}{P}_{k-1}{\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}^T+{\mathrm{\Γ}}_{k-1}{Q}_{k-1}{\mathrm{\Γ}}_{k-1}^T$

滤波增益： $K_k=P_{k/k-1}{H}_k^T{(H_k{P}_{k/k-1}{H}_k^T+R_k)}^{-1}$

状态估计：X_k=X_k/k-1+K_k(Z_k-K_kX_k/k-1)

状态方差阵更新：P_k=(I-K_kH_k)P_k/k-1

其中

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

依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向偏角、方位偏角、东西偏角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移。

6）每完成一次滤波计算，随后进行一次闭环修正

位置修正：L=L-X(1) λ=λ-X(2)

速度修正：V_N=V_N-X(3),V_U=V_U-X(4),V_E=V_E-X(5)

姿态修正： $\begin{array}{cc}{C}_b^n=(I+[\mathrm{\φ}\×\left]\right)C_b^n& \mathrm{\φ}={\left[\begin{array}{ccc}X\left(6\right)& X\left(7\right)& X\left(8\right)\end{array}\right]}^{\′}\end{array}$

加表零偏修正： $\left\{\begin{array}{c}{f}_x=f_x-{\▿}_x,f_y=f_y-{\▿}_y,f_z=f_z-{\▿}_z\\ {\▿}_x={\▿}_x+X\left(9\right),{\▿}_y={\▿}_y+X\left(10\right),{\▿}_z={\▿}_z+X\left(11\right)\\ {\▿}_x\left(0\right)=0,{\▿}_y\left(0\right)=0,{\▿}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

陀螺漂移修正： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_x+X\left(12\right),{\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\ϵ}}_y+X\left(13\right),{\mathrm{\ϵ}}_z={\mathrm{\ϵ}}_z+X\left(14\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_y\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

状态向量修正：X(i)=0,(i=1-14)

按照以上步骤即可实现动基座传递对准。

通过旋转调制下的闭环卡尔曼滤波初始对准，某惯导系统在试验艇上8次动基座对准的结果如表1所示，可见，最大对准误差为3.16＇。

表1旋转调制下闭环卡尔曼滤波对准结果

图1给出了一次对准过程中方位角的收敛过程，可见，采用闭环对准方式可使误差迅速收敛。

Claims (1)

1.一种新的惯导快速双位置对准方法，其特征在于：它包括如下步骤，

1）设置一个单轴旋转机构

单轴旋转机构负责安装惯性测量单元，按照预定方式旋转，实现对惯性器件误差的调制；

2）将惯性测量单元安装在旋转机构上

在单轴旋转机构上安装惯性测量单元，使得旋转轴与惯性测量单元的垂向轴平行；

3）启动旋转机构旋转

旋转机构在[-π，π]之间以10°/s的角速度匀速往复旋转；

4）惯性测量单元导航计算

装订主基准提供的导航参数，利用加速度计和陀螺的输入，按照标准捷联惯导解算流程进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；

5）进行卡尔曼滤波计算

根据速度和位置观测量，采用闭环卡尔曼滤波器来估计、修正初始航姿角误差；滤波计算流程编排如下：

状态一步预测：X_k/k-1=Φ_k,k-1X_k-1

状态方差阵一步预测： $P_{k/k-1}={\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}{P}_{k-1}{\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}^T+{\mathrm{\Γ}}_{k-1}{Q}_{k-1}{\mathrm{\Γ}}_{k-1}^T$

滤波增益： $K_k=P_{k/k-1}{H}_k^T{(H_k{P}_{k/k-1}{H}_k^T+R_k)}^{-1}$

状态估计：X_k=X_k/k-1+K_k(Z_k-K_kX_k/k-1)

状态方差阵更新：P_k=(I-K_kH_k)P_k/k-1

其中

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

依次表示纬度误差、经度误差、北速误差、天速误差、东速误差、北向偏角、方位偏角、东西偏角、三个加速度计零偏、三个陀螺漂移；

6）每完成一次滤波计算，随后进行一次闭环修正

位置修正：L=L-X(1) λ=λ-X(2)

速度修正：V_N=V_N-X(3),V_U=V_U-X(4),V_E=V_E-X(5)

姿态修正： $\begin{array}{cc}{C}_b^n=(I+[\mathrm{\φ}\×\left]\right)C_b^n& \mathrm{\φ}={\left[\begin{array}{ccc}X\left(6\right)& X\left(7\right)& X\left(8\right)\end{array}\right]}^{\′}\end{array}$

加表零偏修正： $\left\{\begin{array}{c}{f}_x=f_x-{\▿}_x,f_y=f_y-{\▿}_y,f_z=f_z-{\▿}_z\\ {\▿}_x={\▿}_x+X\left(9\right),{\▿}_y={\▿}_y+X\left(10\right),{\▿}_z={\▿}_z+X\left(11\right)\\ {\▿}_x\left(0\right)=0,{\▿}_y\left(0\right)=0,{\▿}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

陀螺漂移修正： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_x+X\left(12\right),{\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\ϵ}}_y+X\left(13\right),{\mathrm{\ϵ}}_z={\mathrm{\ϵ}}_z+X\left(14\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_y\left(0\right)=0,{\mathrm{\ϵ}}_z\left(0\right)=0\end{array}\right.$

状态向量修正：X(i)=0,(i=1-14)

按照以上步骤即可实现动基座传递对准。