CN105352527B - 一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法 - Google Patents

一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是惯性导航系统技术领域，特别是涉及船用双轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统的一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法。本发明包括利用转台将惯性测量单元姿态调整到地理坐标系；惯性测量单元预热后并初始对准，确定惯性测量单元坐标系相对地理坐标系初始姿态；对准完成后同时进入导航状态，进行第一次翻转等。本发明加速度计零偏估计时间更短，且更精确。对陀螺漂移估计效果更好，时间更短。陀螺和加速度计标度因数误差估计时间更短。

Description

一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法
技术领域
本发明涉及的是惯性导航系统技术领域，特别是涉及船用双轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统的一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法。
技术背景
标定技术本质上也是一种误差补偿技术。所谓误差补偿技术就是建立惯性传感器和捷联式惯性导航系统的误差模型，通过一定的实验来确定模型系数，进而通过软件算法来消除惯性器件误差(陀螺和加速度计误差)。可以说标定工作是整个误差补偿技术的基础。
在以往的双轴标定旋转方案中，多是利用速度误差、位置误差，作为观测量，再通过最小二乘的方法加以计算误差参数。例如专利申请号为201310463644.X，名称为“一种双轴旋转惯导系统自标定方法”(暂取名专利1)中，主要是利用加速度计和陀螺仪原始数据进行粗对准，然后利用对准结果对IMU(惯性测量单元，其中包含陀螺仪和加速度计)进行调整(IMU固定在转台上，利用转台将IMU进行旋转，旋转角度与对准结果的角度相反，这样就将IMU调整到了地理坐标系，但是有一定的误差)，然后根据旋转方案对IMU进行一系列翻转，翻转前已进入导航状态，由于翻转过程产生速度误差，利用最小二乘法将速度误差作为观测量，计算出需要标定的误差参数。图1为此方案的基本原理框图。采用专利1标定方案存在如下问题，利用粗对准结果对IMU进行旋转调整，将调整后的位置当做地理坐标系存在较大误差，并且其余旋转位置均利用第一次调整后的位置作为基准，由于双轴转位机构本身就存在转位误差，这样会使误差积累越来越大，使计算出的误差参数的准确度严重下降。本发明与专利1不同的是利用初始对准结果(包括精对准)不调整IMU姿态，直接进行导航、翻转，利用速度误差做观测量进行卡尔曼估计，本发明利用精对准方法对比专利1利用粗对准方法，操作简单，对惯性器件误差估计更加准确，而且本发明利用卡尔曼滤波技术相比较专利1的最小二乘法，时间更短，精度更高。
专利申请号为201210050032.3名称为“一种基于双轴转台的光学捷联惯导系统的标定方法”(暂取名专利2)中是利用控制高精度双轴转台至各个基准方向(有方向与水平基准)，例如东向、北向、天向，利用转台旋转不同角速度，将输出数据保存并存储到标定矩阵内，利用最小二乘法解算加速度计误差参数，利用解析法计算陀螺误差参数。本发明与该专利2不同的是不需要方位与水平基准，而是利用初始对准结果确定捷联矩阵(实际应用中很少能提供方向与水平基准)，而且本发明利用卡尔曼滤波技术对误差参数估计，对比该专利2的最小二乘法，标定时间短，操作简单，且适用性强。
发明目的
本发明目的在于提供一种适用于带有双轴转位结构的光纤捷联惯导系统的基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法。
本发明是这样实现的：
基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法，包括如下步骤：
(1)利用转台将惯性测量单元姿态调整到地理坐标系；
(2)惯性测量单元预热后并初始对准，确定惯性测量单元坐标系相对地理坐标系初始姿态s代表IMU坐标系，n代表地理坐标系；
(3)对准完成后同时进入导航状态，进行第一次翻转，绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转180°，逆时针为正；
(4)利用步骤(3)翻转过程角速度和比力与Z轴陀螺标度因数误差δkgz、Z轴加速度计标度因数误差δkaz耦合，根据加速度计和陀螺误差模型，成为测量误差，代入导航误差方程中，成为速度误差；
(5)由步骤(4)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将Z轴陀螺标度因数误差与Z轴加速度计标度因数误差估计出来；
(6)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
(7)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转90°；
(8)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(9)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，并进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-180°；
(10)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(11)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置四至位置五绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-90°；
(12)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(13)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的X轴以3°/s角速度翻转90°；
(14)利用步骤(13)翻转过程角速度和比力与X轴陀螺标度因数误差δkay、Y轴加速度计标度因数误差δkgx耦合，根据加速度计和陀螺误差模型，成为测量误差，代入导航误差方程中，最终成为速度误差；
(15)再由步骤(14)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴陀螺标度因数误差、Y轴加速度计标度因数误差估计出来；
(16)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(17)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转180°；
(18)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(19)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转90°；
(20)利用步骤(19)翻转过程比力与X轴标度因数误差δkax耦合，根据加速度计误差模型，使之成为测量误差，代入导航误差方程中，成为速度误差；
(21)再由步骤(20)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴标度因数误差估计出来；
(22)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(23)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-180°；
(24)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(25)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-90°；
(26)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏
(27)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的X轴以3°/s角速度翻转-90°回到初始位置，整个旋转方案结束，即标定完成；
所述的的卡尔曼离散模型：
Xk表示tk时刻状态向量：
λ、分别表示经纬度误差，δVx、δVy分别表示东、北向速度误差，α、β、γ分别表示东、北、天方向失准角，εs x、εs y、εz s、分别表示三轴陀螺漂移和加速度零偏，δkgx、δkgy、δkax、δkay、δkaz分别表示X、Y轴陀螺标度因数误差和X、Y、Z轴加速度计标度因数误差，Ak,k-1表示tk-1至tk时刻的一步转移阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，Vk为量测噪声阵，Wk-1为系统激励噪声阵，Zk表示量测量；
wie＝7.292115×10-5(rad/s)，L＝45.7796°，Re＝6378393.0(m)；
C11至C33表示当前时刻捷联矩阵，分别表示三轴当前时刻IMU系角速度与比力。
本发明的有益效果在于：
已发现当利用本发明转位方案对比专利1、2转位方案，加速度计零偏估计时间更短，且更精确。
已发现当采用本发明停止时间对比专利1、2停止时间，对陀螺漂移估计效果最好，时间最短。
已发现当采用本方案旋转角速度对比专利1、2旋转角速度，陀螺和加速度计标度因数误差估计时间最短。
附图说明
图1是以往双轴旋转标定原理图。
图2是本发明双轴旋转标定原理图。
图3是本发明(标定后)与常规方法(未补偿)后两种情况经纬度误差。
图4旋转方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图在本发明做进一步的说明：
本发明IMU经预热后，开始初始对准(粗对准+精对准)，然后进入导航状态，同时进行第一次旋转(具体旋转方案见图4)，翻转后静止一段时间，翻转和静止过程运用卡尔曼滤波方法估计出一部分误差参数(具体参数见具体实施方式)，然后进行第二次初始对准，然后进行导航过程，同时进行第二次翻转，估计出卡尔曼滤波估计出另一部分误差参数，如此往复直至整个翻转方案结束，标定出全部误差参数，并软件补偿进惯导系统。
实施例
步骤1，利用转台将IMU姿态调整到地理坐标系附近。
步骤2，IMU预热后并初始对准，确定IMU坐标系相对地理坐标系初始姿态(s代表IMU坐标系，n代表地理坐标系)。
步骤3，对准完成后同时进入导航状态，进行第一次翻转(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转180°(逆时针为正)，由位置一至位置二，见图4)。
步骤4，利用步骤3翻转过程角速度和比力与(Z轴陀螺标度因数误差与Z轴加速度计标度因数误差)耦合，结合图4，根据加速度计和陀螺误差模型，使之成为测量误差，代入导航误差方程中，最终成为速度误差。
步骤5，由步骤4的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程(公式1)中，将Z轴陀螺标度因数误差与Z轴加速度计标度因数误差估计出来。
步骤6，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤7，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置二至位置三(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转90°)。
步骤8，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤9，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，并进行翻转由位置三至位置四(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转-180°)。
步骤10，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤11，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置四至位置五(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转-90°)。
步骤12，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤13，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置五至位置六(绕IMU的X轴以3°/s角速度翻转90°)，见图4。
步骤14，利用步骤13翻转过程角速度和比力与(X轴陀螺标度因数误差、Y轴加速度计标度因数误差)耦合，结合图4，根据加速度计和陀螺误差模型，使之成为测量误差，代入导航误差方程中，最终成为速度误差。
步骤15，再由步骤14的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴陀螺标度因数误差、Y轴加速度计标度因数误差估计出来。
步骤16，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤17，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置六至位置七(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转180°)，见图4。
步骤18，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤19，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置七至位置八(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转90°)，见图4。
步骤20，利用步骤19翻转过程比力与(X轴标度因数误差)耦合，结合图4，根据加速度计误差模型，使之成为测量误差，代入导航误差方程中，最终成为速度误差。
步骤21，再由步骤20的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴标度因数误差估计出来。
步骤22，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤23，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置八至位置九(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转-180°)，见图4
步骤24，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤25，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置九至位置十(绕IMU的Z轴以3°/s角速度翻转-90°)，见图4
步骤26，翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移(εs)与加速度计零偏
步骤27，停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置十至位置一(绕IMU的X轴以3°/s角速度翻转-90°)回到初始位置，见图4，整个旋转方案结束，即标定完成。
除Y轴陀螺标度因数误差外，所有误差参数均已估计出来，值得一提的是，由于没有Y轴旋转角速度输入(地球自转角速度太小不足以激励)，故估计不出，而且陀螺漂移和加速度计零偏的估计，均由位置一至位置十停止过程共同积累才得以估计出来。
本发明步骤5、6、8、10、12、15、16、18、21、22、24、26用到的卡尔曼离散模型：
Xk表示tk时刻状态向量：
λ、分别表示经纬度误差，δVx、δVy分别表示东、北向速度误差，α、β、γ分别表示东、北、天方向失准角，εs x、εs y、εz s、分别表示三轴陀螺漂移和加速度零偏，δkgx、δkgy、δkax、δkay、δkaz分别表示X、Y轴陀螺标度因数误差和X、Y、Z轴加速度计标度因数误差，Ak,k-1表示tk-1至tk时刻的一步转移阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，Vk为量测噪声阵，Wk-1为系统激励噪声阵，Zk表示量测量(在本发明中为速度误差)。
wie＝7.292115×10-5(rad/s)，L＝45.7796°，Re＝6378393.0(m)。
C11至C33表示当前时刻捷联矩阵，分别表示三轴当前时刻IMU系角速度与比力。
本发明旋转方案综和对比专利1、2，采用上述10位置旋转方案(图4)，停止时间300秒，角速度3°/s，初始姿态接近地理坐标系，将误差参数以最高精度，最短时间，估计出来。
本发明利用初始对准后结果出发，利用卡尔曼滤波技术将陀螺和加速度计误差参数标定，比利用粗对准再调整IMU和最小二乘法标定误差的传统方案精度要高，而且本发明估计时间需要1小时，而传统标定方案需要3-4小时，时间大大缩短，且不需利用初始对准结果对IMU进行旋转调整，节约时间，更加具体可操作性与实用性。
结合图3可以看出，利用本方法标定出陀螺与加速度计误差参数后(蓝线)，比较与未标定前(红线)，经度误差减小10倍以上，纬度误差较未标定前减小4倍以上，系统位置精度得到了极大改善。

Claims (1)

1.一种基于双轴转位机构光纤陀螺标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用转台将惯性测量单元姿态调整到地理坐标系；
(2)惯性测量单元预热后并初始对准，确定惯性测量单元坐标系相对地理坐标系初始姿态s代表IMU坐标系，n代表地理坐标系；
(3)对准完成后同时进入导航状态，进行第一次翻转由位置一至位置二绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转180°，逆时针为正；
(4)利用步骤(3)翻转过程角速度和比力与Z轴陀螺标度因数误差δkgz、Z轴加速度计标度因数误差δkaz耦合，根据加速度计和陀螺误差模型，计算测量误差，代入导航误差方程中，计算速度误差；
(5)由步骤(4)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将Z轴陀螺标度因数误差与Z轴加速度计标度因数误差估计出来；
(6)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，将估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生的速度误差代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(7)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置二至位置三绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转90°；
(8)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(9)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，并进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-180°；
(10)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(11)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转由位置四至位置五绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-90°；
(12)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(13)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的X轴以3°/s角速度翻转90°；
(14)利用步骤(13)翻转过程角速度和比力与Y轴加速度计标度因数误差δkay、X轴陀螺标度因数误差δkgx耦合，根据加速度计和陀螺误差模型，计算测量误差，代入导航误差方程中，最终计算速度误差；
(15)再由步骤(14)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴陀螺标度因数误差、Y轴加速度计标度因数误差估计出来；
(16)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(17)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转180°；
(18)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(19)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转90°；
(20)利用步骤(19)翻转过程比力与X轴标度因数误差δkax耦合，根据加速度计误差模型，计算测量误差，代入导航误差方程中，计算速度误差；
(21)再由步骤(20)的速度误差做观测量，代入到卡尔曼滤波方程中，将X轴标度因数误差估计出来；
(22)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(23)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-180°；
(24)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(25)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的Z轴以3°/s角速度翻转-90°；
(26)翻转后停止300秒，在停止时间内，重新初始对准，由估计陀螺与加速度计常值漂移在该段时间积累产生速度误差，代入到卡尔曼滤波方程中，估计出陀螺漂移εs与加速度计零偏▽s；
(27)停止时间到，同时初始对准结束进入导航状态，同时进行翻转绕惯性测量单元的X轴以3°/s角速度翻转-90°回到初始位置，整个旋转方案结束，即标定完成；
所述的卡尔曼滤波方程：
Xk表示tk时刻状态向量：
λ、分别表示经纬度误差，δVx、δVy分别表示东、北向速度误差，α、β、γ分别表示东、北、天方向失准角，εs x、εs y、εz s、分别表示三轴陀螺漂移和加速度零偏，δkgx、δkgy、δkax、δkay、δkaz分别表示X、Y轴陀螺标度因数误差和X、Y、Z轴加速度计标度因数误差，Ak,k-1表示tk-1至tk时刻的一步转移阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，Vk为量测噪声阵，Wk-1为系统激励噪声阵，Zk表示量测量；
wie＝7.292115×10-5(rad/s)，L＝45.7796°，Re＝6378393.0(m)；
C11至C33表示当前时刻捷联矩阵，分别表示三轴当前时刻IMU系角速度与比力。
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