CN105157723A

CN105157723A - 一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法

Info

Publication number: CN105157723A
Application number: CN201510411727.3A
Authority: CN
Inventors: 姜明; 聂敏
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明提供一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，具体步骤如下：步骤一，将捷联惯导系统安装在液压转台的三个轴上，使惯导坐标与转台坐标基本一致；步骤二，按三角波方式分别给转台各轴设置运动参数，驱动转台各轴以设定速率作正反向运动，同时采集三轴光纤陀螺的输出电压和加速度计的输出电压；步骤三，根据运动参数，利用导航姿态解算算法，解算出三轴光纤陀螺的角速率和加速度计的比力信息；步骤四，利用三轴光纤陀螺的输出电压和角速率，确定光纤陀螺静态误差模型的系数；利用三轴加速度计的输出电压和比力信息，确定加速度计标定模型的系数；实现捷联惯导系统的标定。利用本发明标定的捷联惯导系统能够提高导航精度。

Description

一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法。

背景技术

惯性技术是一项涉及多学科的综合技术，它是惯性导航和惯性制导技术，惯性仪表技术，惯性测量技术以及有关系统和装置技术的统称。惯性测量单元是由光纤陀螺和加速度计构成，直接安装到载体上，它们分别敏感载体坐标系相对于惯性坐标系的角速率和比力矢量。用光纤陀螺测量的载体角速率计算姿态矩阵，从姿态矩阵中提取载体的姿态和航向信息，并用姿态矩阵把加速度计输出从载体坐标系变换到导航坐标系，然后解算速度、位置和方位等导航信息。

标定技术是用于确定惯性器件主要性能参数的测试技术，标定的前提是建立输入输出关系的数学模型，为了分离和计算有关的惯性仪表的参数，就需要做精密的测量和测试。通过分离和计算有关的惯性仪表的参数，利用专门的测试设备，标定出仪表和系统的误差项，代入陀螺仪和加速度计的模型中，并在导航解算过程中加以补偿，可以有效提高导航精度。

惯导系统标定主要是系统中的惯性仪表标定。主要包括陀螺仪和加速度计。它们是系统硬件中最关键的部件，加速度计敏感载体的加速度，陀螺仪敏感载体的姿态角速率，其性能直接关系到系统的一系列性能指标。

发明内容

本发明的目的在于提高光纤陀螺捷联惯导系统导航精度，提供了一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，具体步骤如下：

步骤一，将由光纤陀螺和加速度计构成的捷联惯导系统安装在液压转台的三个轴上，使惯导坐标与转台坐标基本一致；

步骤二，按三角波方式分别给转台各轴设置运动参数，驱动转台各轴以设定速率作正反向运动，同时采集三轴光纤陀螺的输出电压和加速度计的输出电压；

步骤三，根据所述运动参数，利用导航姿态解算算法，解算出三轴光纤陀螺的角速率和加速度计的比力信息；

步骤四，利用三轴光纤陀螺的输出电压和所述角速率，确定光纤陀螺静态误差模型的系数；利用三轴加速度计的输出电压和所述比力信息，确定加速度计标定模型的系数；实现捷联惯导系统的标定。

进一步地，本发明将三轴光纤陀螺输出电压记为N：

N＝[N_x,N_y,N_z]^T(1)

将三轴光纤陀螺的角速率记为w：

w＝[w_x,w_y,w_z]^T(2)

光纤陀螺静态误差模型如式(3)所示：

\{\begin{matrix} N_{x} = a_{0} + a_{1} w_{x} + a_{2} w_{y} + a_{3} w_{z} \\ N_{y} = b_{0} + b_{1} w_{x} + b_{2} w_{y} + b_{3} w_{z} \\ N_{z} = c_{0} + c_{1} w_{x} + c_{2} w_{y} + c_{3} w_{z} \end{matrix} - - - (3)

A = [\begin{matrix} a_{0} & a_{1} & a_{2} & a_{3} \\ b_{0} & b_{1} & b_{2} & b_{3} \\ c_{0} & c_{1} & c_{2} & c_{3} \end{matrix}]

其中，A为光纤陀螺静态误差模型系数；a₀、b₀、c₀分别表示三轴光纤陀螺的零位误差，a₁、b₁、c₁分别表示三轴光纤陀螺的标度因数；a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃分别表示三轴光纤陀螺的安装误差；

将三轴加速度计输出电压记为U_a：

U_a＝[Ua_x,Ua_y,Ua_z]^T(5)

将三轴加速度计的三轴比力信息记为f：

f＝[f_x,f_y,f_z]^T(6)

加速度计标定模型如式(7)所示：

\{\begin{matrix} U a x = m_{0} + m_{1} f_{x} + m_{2} f_{y} + m_{3} f_{z} \\ U a y = n_{0} + n_{1} f_{x} + n_{2} f_{y} + n_{3} f_{z} \\ U a z = q_{0} + q_{1} f_{x} + q_{2} f_{y} + q_{3} f_{z} \end{matrix} - - - (7)

其中，M为加速度计标定模型系数；m₀，n₀，q₀分别表示三轴加速度计的零位误差，m₁，n₁，q₁分别表示三轴加速计的标度因素，m₂，n₂，q₂，m₃，n₃，q₃分别表示三轴加速度计的安装误差。

进一步地，本发明对每次采集到的三轴光纤陀螺的输出电压进行记录，并以每五次采样为一组，计算其平均值作为样本值来确定光纤陀螺静态误差模型的系数；对每次采集到的三轴加速度计的输出电压进行记录，并以每五次采样为一组，计算其平均值作为样本值来确定加速度计标定模型的系数。

有益效果

本发明基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，通过三角波驱动转台正反转，利用采集的输出电压及合理的模型设计，可以有效的标定光纤陀螺零偏误差及标度因素，为进一步补偿提供了理论依据，更好的提高光纤陀螺工作精度。

附图说明

图1光纤陀螺惯导系统结构图；

图2惯导系统标定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，本发明一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，具体步骤如下：

步骤一，首先将由光纤陀螺和加速度计构成的捷联惯导系统安装在液压转台的三个轴上，使惯导坐标与转台坐标基本一致；然后将捷联惯导系统、电源、数据采集计算机之间的正确连线，并检查是否正确；最后上电预热捷联惯导系统。

步骤二，按三角波方式分别给转台各轴设置运动参数，驱动转台各轴以设定速率作正反向运动，同时采集三轴光纤陀螺的电压输出和加速度计的输出电压；

步骤四，利用三轴光纤陀螺的输出电压和所述角速率，确定光纤陀螺静态误差模型的系数；利用三轴加速度计的输出电压和所述比力信息，确定加速度计标定模型的系数；

光纤陀螺惯导系统速率标定模型为：

三轴光纤陀螺输出电压分别记为三维状态矢量N：

N＝[N_x,N_y,N_z]^T(1)

三轴光纤陀螺的角速率记为三维状态向量w:

w＝[w_x,w_y,w_z]^T(2)

光纤陀螺静态误差模型如下所示：

\{\begin{matrix} N_{x} = a_{0} + a_{1} w_{x} + a_{2} w_{y} + a_{3} w_{z} \\ N_{y} = b_{0} + b_{1} w_{x} + b_{2} w_{y} + b_{3} w_{z} \\ N_{z} = c_{0} + c_{1} w_{x} + c_{2} w_{y} + c_{3} w_{z} \end{matrix} - - - (3)

其中，a₀、b₀、c₀分别表示三轴光纤陀螺的零位误差，a₁、b₁、c₁分别表示三轴光纤陀螺的标度因数；a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃分别表示三轴光纤陀螺的安装误差。在本模型中忽略三轴陀螺间相互耦合误差及非线性误差，只考虑零位误差、标度因数及安装误差。

定义

A = [\begin{matrix} a_{0} & a_{1} & a_{2} & a_{3} \\ b_{0} & b_{1} & b_{2} & b_{3} \\ c_{0} & c_{1} & c_{2} & c_{3} \end{matrix}],

因此可以将上述方程简化为：

N＝A*[1,w^T]^T(4)

其中，*表示矩阵之间的点乘运算。

加速度计标定模型为：

将三轴加速度计输出电压记为三维状态矢量U_a，

U_a＝[Ua_x,Ua_y,Ua_z]^T(5)

三轴加速度计的三轴比力信息记为三维状态矢量f：

f＝[f_x,f_y,f_z]^T(6)

加速度计标定方程记为：

\{\begin{matrix} U a x = m_{0} + m_{1} f_{x} + m_{2} f_{y} + m_{3} f_{z} \\ U a y = n_{0} + n_{1} f_{x} + n_{2} f_{y} + n_{3} f_{z} \\ U a z = q_{0} + q_{1} f_{x} + q_{2} f_{y} + q_{3} f_{z} \end{matrix} - - - (7)

其中，m₀，n₀，q₀分别表示三轴加速度计的零位误差，m₁，n₁，q₁分别表示三轴加速计的标度因素，m₂，n₂，q₂，m₃，n₃，q₃分别表示三轴加速度计的安装误差。在本模型中忽略三轴加速度计间相互耦合误差及非线性误差，只考虑零位误差、标度因数及安装误差。

定义

M = [\begin{matrix} m_{0} & m_{1} & m_{2} & m_{3} \\ n_{0} & n_{1} & n_{2} & n_{3} \\ q_{0} & q_{1} & q_{2} & q_{3} \end{matrix}],

将上述加速度计标定方程简化为：

U_a＝M*[1,f^T]^T(8)

通过对每次采集到的数据进行记录，并以每五次采样为一组，计算其平均值作为新的样本值。代入上式模型，可以计算出A和M。从而得知三轴光纤陀螺及加速度计的各项误差，为惯导系统在实际导航中进行误差补偿提供基础，以提高惯导系统精度。

Claims

1.一种基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，其特征在于，将三轴光纤陀螺输出电压记为N：

N＝[N_x,N_y,N_z]^T(1)

将三轴光纤陀螺的角速率记为w：

w＝[w_x,w_y,w_z]^T(2)

光纤陀螺静态误差模型如式(3)所示：

\{\begin{matrix} N_{x} = a_{0} + a_{1} w_{x} + a_{2} w_{y} + a_{3} w_{z} \\ N_{y} = b_{0} + b_{1} w_{x} + b_{2} w_{y} + b_{3} w_{z} \\ N_{z} = c_{0} + c_{1} w_{x} + c_{2} w_{y} + c_{3} w_{z} \end{matrix} - - - (3)

A = [\begin{matrix} a_{0} & a_{1} & a_{2} & a_{3} \\ b_{0} & b_{1} & b_{2} & b_{3} \\ c_{0} & c_{1} & c_{2} & c_{3} \end{matrix}]

将三轴加速度计输出电压记为U_a：

U_a＝[Ua_x,Ua_y,Ua_z]^T(5)

将三轴加速度计的三轴比力信息记为f：

f＝[f_x,f_y,f_z]^T(6)

加速度计标定模型如式(7)所示：

\{\begin{matrix} U a x = m_{0} + m_{1} f_{x} + m_{2} f_{y} + m_{3} f_{z} \\ U a y = n_{0} + n_{1} f_{x} + n_{2} f_{y} + n_{3} f_{z} \\ U a z = q_{0} + q_{1} f_{x} + q_{2} f_{y} + q_{3} f_{z} \end{matrix} - - - (7)

3.根据权利要求1所述基于光纤陀螺的捷联惯导系统的标定方法，其特征在于，对每次采集到的三轴光纤陀螺的输出电压进行记录，并以每五次采样为一组，计算其平均值作为样本值来确定光纤陀螺静态误差模型的系数；对每次采集到的三轴加速度计的输出电压进行记录，并以每五次采样为一组，计算其平均值作为样本值来确定加速度计标定模型的系数。