CN105737854A - 一种捷联惯导系统在线标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捷联惯导系统在线标定方法，包括如下步骤：捷联惯性导航系统的初始对准、在线标定和数据写入，以两位置转停初始对准技术为支撑，通过提取姿态更新信号作为基准观测量，依靠Kalman滤波数据融合的方式，快速估计出捷联惯导系统三支陀螺的逐次启动零位偏移。有效的实现了陀螺零偏的在线自主标定，标定精度高，对载体机动方式要求低，解决了目前车载捷联惯导系统陀螺在线标定精度有限、外部信息获取困难等问题，为车载捷联导航系统陀螺在线标定提供了一种新的技术途径，为免拆装标定提供了可能。

Description

一种捷联惯导系统在线标定方法

技术领域

本发明涉及导航领域，特别是涉及一种捷联惯导系统的在线标定方法。

背景技术

捷联惯导系统是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成，由于惯性元有固定漂移率，会造成导航误差，对于车载捷联惯导系统中，陀螺等惯性器件存在逐次启动零偏重复性误差，导致每次上电启动后，会对姿态角、偏航角、速度、位置等重要导航参数引入不可忽略的零位偏移误差；同时惯性器件的固有零位误差会随时间累积，为确保惯性导航精度，需对惯导系统重新进行标定。实验室标定需频繁拆卸惯性导航系统，带来了很大的经济负担和工程实用性问题，因此惯性器件的在线自标定是亟需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种在线自主标定，标定精度高，对载体机动方式要求低的捷联惯导系统的在线标定方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种捷联惯导系统在线标定方法，包括如下步骤：

捷联惯性导航系统的初始对准、在线标定和数据写入；

所述捷联惯性导航系统的初始对准包括：

S1、首先将捷联惯导系统安装到发射车内，保持捷联惯导系统与发射车体朝向一致；

S2、捷联惯导系统上电；

S3、将捷联惯导系统转到第一位置，进行粗对准；

S4、捷联惯导系统第一位置初始对准；

S5、将捷联惯导系统转位180°到第二位置，进行第二位置初始对准；

保存捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U；

惯导系统输出惯导设备朝向即车体的朝向与真北方向的夹角，即航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ。记录这三个角度值；

所述在线标定步骤为：

初始化Kalman滤波器P、Q、R矩阵；

以航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ为导航初始角度，利用记录的捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U进行捷联导航姿态更新解算，实时输出更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁；

以实时更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁与航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁初始值之差作为Kalman滤波器观测量Z，

观测量Z＝[z₁z₂z₃]

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1={\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\α}\\ z_2={\mathrm{\β}}_1-\mathrm{\β}\\ z_3={\mathrm{\γ}}_1-\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

观测方程为：

Z(t)＝HX(t)+V(t)

其中H＝[I_3×30_3×3]，V(t)为观测到的白噪声。

取状态变量X＝[ψ_Eψ_Nψ_Uε_Eε_Nε_U]^T，状态方程可以写成：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{X}=FX\\ \left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_E\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_N\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_U\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_E\\ {\mathrm{\ψ}}_N\\ {\mathrm{\ψ}}_U\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]\end{array}$

其中，F为状态矩阵，ψ_E为俯仰角误差、ψ_N为俯仰角误差、ψ_U为俯仰角误差，L为当地纬度；

将上述状态方程与观测方程带入Kalman滤波器解算：

X＝F*X+{(F*P*F'+Q)*H^T*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*(Z-H*F*X)

P＝F*P*F'+Q-{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]

*{{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1}^T

通过实时迭代更新状态变量X与P矩阵，进行滤波估计，输出实时的三支陀螺的等效零偏X[4]、X[5]、X[6]，即ε_x、ε_y、ε_z；

所述数据写入为：

三支陀螺等效零偏ε_x、ε_y、ε_z通过上位机标定软件写入捷联惯导主控板EEPROM中。

所述Kalman滤波估计收敛时间为5分钟。

所述第一位置初始对准时间为5分钟。

所述第二位置初始对准时间为5分钟。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明捷联惯导系统在线标定方法，以两位置转停初始对准技术为支撑，通过提取姿态更新信号作为基准观测量，依靠Kalman滤波数据融合的方式，快速估计出捷联惯导系统三支陀螺的逐次启动零位偏移。

本发明捷联惯导系统在线标定方法有效的实现了陀螺零偏的在线自主标定，标定精度高，对载体机动方式要求低，解决了目前车载捷联惯导系统陀螺在线标定精度有限、外部信息获取困难等问题，为车载捷联导航系统陀螺在线标定提供了一种新的技术途径，为免拆装标定提供了可能。

附图说明

图1是捷联惯导系统在线标定方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：

附图1可知，一种捷联惯导系统在线标定方法，包括如下步骤：

捷联惯性导航系统的初始对准、在线标定和数据写入；

所述捷联惯性导航系统的初始对准包括：

S1、首先将捷联惯导系统安装到发射车内，保持捷联惯导系统与发射车体朝向一致；

S2、捷联惯导系统上电；

S3、将捷联惯导系统转到第一位置，进行粗对准；

S4、捷联惯导系统第一位置初始对准；

S5、将捷联惯导系统转位180°到第二位置，进行第二位置初始对准；

保存捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U；

惯导系统输出惯导设备朝向即车体的朝向与真北方向的夹角，即航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ。记录这三个角度值；

所述在线标定步骤为：

初始化Kalman滤波器P、Q、R矩阵；

以航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ为导航初始角度，利用记录的捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U进行捷联导航姿态更新解算，实时输出更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁；

以实时更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁与航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁初始值之差作为Kalman滤波器观测量Z，

观测量Z＝[z₁z₂z₃]

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1={\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\α}\\ z_2={\mathrm{\β}}_1-\mathrm{\β}\\ z_3={\mathrm{\γ}}_1-\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

观测方程为：

Z(t)＝HX(t)+V(t)

其中H＝[I_3×30_3×3]，V(t)为观测到的白噪声。

取状态变量X＝[ψ_Eψ_Nψ_Uε_Eε_Nε_U]^T，状态方程可以写成：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{X}=FX\\ \left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_E\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_N\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_U\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_E\\ {\mathrm{\ψ}}_N\\ {\mathrm{\ψ}}_U\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]\end{array}$

其中，F为状态矩阵，ψ_E为俯仰角误差、ψ_N为俯仰角误差、ψ_U为俯仰角误差，L为当地纬度；

将上述状态方程与观测方程带入Kalman滤波器解算：

X＝F*X+{(F*P*F'+Q)*H^T*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*(Z-H*F*X)

P＝F*P*F'+Q-{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]

*{{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1}^T

通过实时迭代更新状态变量X与P矩阵，进行滤波估计，输出实时的三支陀螺的等效零偏X[4]、X[5]、X[6]，即ε_x、ε_y、ε_z；

三支陀螺零偏的估计值2分钟后达到稳定状；5分钟的Kalman估计收敛后，三支陀螺的零位误差得到充分估计；

所述数据写入为：

三支陀螺等效零偏ε_x、ε_y、ε_z通过上位机标定软件写入捷联惯导主控板EEPROM中。

所述Kalman滤波估计收敛时间为5分钟。

所述第一位置初始对准时间为5分钟。

所述第二位置初始对准时间为5分钟。

本发明捷联惯导系统在线标定方法，以两位置转停初始对准技术为支撑，通过提取姿态更新信号作为基准观测量，依靠Kalman滤波数据融合的方式，快速估计出捷联惯导系统三支陀螺的逐次启动零位偏移。

本发明捷联惯导系统在线标定方法有效的实现了陀螺零偏的在线自主标定，标定精度高，对载体机动方式要求低，解决了目前车载捷联惯导系统陀螺在线标定精度有限、外部信息获取困难等问题，为车载捷联导航系统陀螺在线标定提供了一种新的技术途径，为免拆装标定提供了可能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种捷联惯导系统在线标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

捷联惯性导航系统的初始对准、在线标定和数据写入；

所述捷联惯性导航系统的初始对准包括：

S1、首先将捷联惯导系统安装到发射车内，保持捷联惯导系统与发射车体朝向一致；

S2、捷联惯导系统上电；

S3、将捷联惯导系统转到第一位置，进行粗对准；

S4、捷联惯导系统第一位置初始对准；

S5、将捷联惯导系统转位180°到第二位置，进行第二位置初始对准；

保存捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U；

惯导系统输出惯导设备朝向即车体的朝向与真北方向的夹角，即航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ。记录这三个角度值；

所述在线标定步骤为：

初始化Kalman滤波器P、Q、R矩阵；

以航向角ψ，车体的俯仰角θ以及车体的横滚角γ为导航初始角度，利用记录的捷联惯导系统三支加速度计信息Acc_E、Acc_N、Acc_U和三支陀螺信息Gyo_E、Gyo_N、Gyo_U进行捷联导航姿态更新解算，实时输出更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁；

以实时更新的航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁与航向角ψ₁，车体的俯仰角θ₁以及车体的横滚角γ₁初始值之差作为Kalman滤波器观测量Z，

观测量Z＝[z₁z₂z₃]

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1={\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\α}\\ z_2={\mathrm{\β}}_1-\mathrm{\β}\\ z_3={\mathrm{\γ}}_1-\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

观测方程为：

Z(t)＝HX(t)+V(t)

其中H＝[I_3×30_3×3]，V(t)为观测到的白噪声。

取状态变量X＝[ψ_Eψ_Nψ_Uε_Eε_Nε_U]^T，状态方程可以写成：

$\stackrel{\·}{X}=FX$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_E\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_N\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_U\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}_{ie}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{ie}\cos L& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_E\\ {\mathrm{\ψ}}_N\\ {\mathrm{\ψ}}_U\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]$

其中，F为状态矩阵，ψ_E为俯仰角误差、ψ_N为俯仰角误差、ψ_U为俯仰角误差，L为当地纬度；

将上述状态方程与观测方程带入Kalman滤波器解算：

X＝F*X+{(F*P*F'+Q)*H^T*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*(Z-H*F*X)

P＝F*P*F'+Q-{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]

*{{(F*P*F'+Q)*[H*(F*P*F'+Q)*H^T+R]}^-1}^T

通过实时迭代更新状态变量X与P矩阵，进行滤波估计，输出实时的三支陀螺的等效零偏X[4]、X[5]、X[6]，即ε_x、ε_y、ε_z；

所述数据写入为：

三支陀螺等效零偏ε_x、ε_y、ε_z通过上位机标定软件写入捷联惯导主控板EEPROM中。

2.根据权利要求1所述的捷联惯导系统在线标定方法，其特征在于，所述Kalman滤波估计收敛时间为5分钟。

3.根据权利要求1所述的捷联惯导系统在线标定方法，其特征在于，所述第一位置初始对准时间为5分钟。

4.根据权利要求1所述的捷联惯导系统在线标定方法，其特征在于，所述第二位置初始对准时间为5分钟。