CN106052682B - 一种混合式惯性导航系统及导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合式惯性导航系统及方法，所述系统是指集平台式惯导系统结构、捷联式惯导系统算法和旋转式惯导系统误差抑制技术于一体的惯导系统，它将基于伺服控制的物理稳定平台与基于捷联姿态计算的数学平台有机结合，用物理稳定平台一方面隔离载体角运动和跟踪地理坐标系，减小惯性测量误差，一方面使惯性器件相对地理坐标系进行旋转，有效抑制惯性器件的常值漂移等；用捷联姿态计算构建数学平台，可避免平台稳定控制精度对系统导航定位精度的直接影响。本发明可满足在提高导航定位精度以及降低购置/维护成本等方面不断增长的新需求，为惯性导航技术的发展开辟了一条新的技术途径。

Description

一种混合式惯性导航系统及导航方法
技术领域
本发明涉及一种集平台式、捷联式和旋转式惯性导航之大成的惯导系统，属于惯性导航领域。
背景技术
平台式惯性导航系统一般用四环平台隔离载体角运动，使惯性测量始终在当地地理坐标系内进行，可解决载体角运动耦合造成的测量误差，同时还可大大降低惯性测量的角速度范围，系统精度较高，但存在结构复杂，体积重量偏大，可靠性较差，成本较高等缺点。捷联式惯性导航系统将惯性器件与机体固连，角速度、加速度经姿态矩阵实时变换到地理坐标系再进行导航解算，与平台式惯导相比具有体积重量小、成本低、可靠性高等优点，但是当航向变化时初始对准所建立的惯性器件误差与数学平台偏角间的平衡关系会被破坏，从而引起明显导航误差。旋转式惯性导航系统通过相对壳体的旋转运动来抑制惯性器件常值漂移，是一种在利用同等精度惯性器件的情况下大幅提高系统导航精度的有效手段，已在舰船领域得到应用，但旋转式惯导仍有较大提升空间，特别是在应用到航空、航天等领域时，在技术途径上还需创新。混合式惯导系统将隔离载体角运动的“物理平台”与借助捷联算法构建的“数学平台”相结合，还具备通过旋转调制抑制惯性器件误差的功能，为惯性导航技术的发展开辟一条新的技术途径。由“平台”到“捷联”，再由“捷联”到“平台”，这是事物“否定之否定”螺旋式上升规律的体现。除了需求牵引外，技术进步也成为这项转变的推手，此处的平台已大大不同于传统的平台，其体积、重量和可靠性方面的指标已有重大提升。
发明内容
本发明解决的技术问题是：最大限度地发挥平台式、捷联式和旋转式惯导的各自优点，避免各自的不足，从系统层面发挥好惯性器件的性能，为研制高性能惯导系统提供一种新的解决方案。
本发明的技术解决方案是：一种混合式惯性导航系统，其特点在于：系统既有基于伺服控制的物理稳定平台又有基于捷联算法的数学平台，还有基于旋转调制的误差抑制方法；所述的物理平台包括框架平台和惯性测量单元等，框架平台为惯性测量单元隔离载体的角运动，并使惯性测量单元做周期性的旋转运动；所述的数学平台包括捷联姿态计算和导航计算等，用捷联姿态阵修正惯性测量单元提供的速度增量和角度增量，然后进行导航计算。
本发明的原理是：混合式惯导系统的物理稳定平台具有旋转轴，可以隔离载体角运动，使初始对准过程中所建立的水平平台偏角与加速度计零偏的平衡、罗经效应项与等效东向陀螺漂移的平衡在整个导航过程中基本能得到保持，并降低陀螺比例系数误差和安装误差角对系统精度的影响。用捷联算法构建的数学平台可以计算出物理稳定平台的控制误差，并用其在导航解算时进行补偿修正，从而降低平台控制误差对导航精度的影响。陀螺漂移和加速度计零偏是影响惯导精度的两个主要因素，当惯性测量单元做周期性的旋转时，陀螺漂移和加速度计零偏可被调制为零均值的形式，从而大大降低对系统的影响，实现高精度导航。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明用物理稳定平台降低载体角运动对导航精度的影响，使旋转调制技术不仅可用于低动态的舰船领域，还可以扩展到高动态的航空、航天领域；若惯性器件的性能一样，则本系统导航定位精度可得到成倍提高；若要实现同样的系统导航定位精度，则本发明可降低对惯性器件精度的要求，从而降低系统成本。
(2)本发明在有物理稳定平台的情况下还用数学方法计算捷联姿态阵，相比传统平台式惯导，能降低物理稳定平台的控制精度对系统导航定位精度的影响。
(3)本发明的旋转调制是在隔离了载体角运动的情况下执行，所以旋转是相对于地理坐标系进行，这比相对于壳体旋转的系统能获得更好的误差抑制效果。
附图说明
图1为本发明混合式惯性导航系统原理框图；
图2为本发明实施例中系统整体结构示意图；
图3为本发明实施例中物理稳定平台结构示意图；
图4为本发明实施例中惯性测量单元整体结构示意图；
图5为本发明实施例中惯性测量单元内部结构示意图；
图6为本发明实施例中系统车载导航实验的位置误差曲线；
图7为本发明实施例中系统按传统方案导航的位置误差曲线。
具体实施方式
混合式惯性导航系统可以用多种惯性器件来实现，并且根据应用场合的不同，物理平台在结构上也可以有三轴、双轴、单轴等多种实现形式，下面以基于光纤陀螺的三轴混合式机载惯性导航系统为例来阐述本发明的具体实施过程。
本发明的所述系统是指集平台式惯导系统结构、捷联式惯导系统算法和旋转式惯导系统误差抑制技术于一体的惯导系统，它将基于伺服控制的物理稳定平台与基于捷联姿态计算的数学平台有机结合，用物理稳定平台一方面隔离载体角运动和跟踪地理坐标系，减小惯性测量误差，一方面使惯性器件相对地理坐标系进行旋转，有效抑制惯性器件的常值漂移等；用捷联姿态计算构建数学平台，可避免平台稳定控制精度对系统导航定位精度的直接影响。本发明可满足在提高导航定位精度以及降低购置/维护成本等方面不断增长的新需求，为惯性导航技术的发展开辟了一条新的技术途径。
如图1所示，该系统包括物理平台和数学平台两部分，物理平台既是数学平台进行计算的数据来源，又是数学平台计算结果的执行机构。首先物理平台将隔离了载体角运动后的惯性测量单元数据和框架平台的数据发送给数学平台，然后数学平台进行相应计算，计算结束后，一方面对外输出导航结果，一方面产生控制信号去控制物理平台的电机。具体来说，当载体有角速度时，它与平台的角速度一起通过摩擦产生力矩MT，该力矩与扰动力矩MD、电机控制力矩MC共同作用于框架平台，使安装于框架平台上的惯性测量单元匀速转动。上述运动被惯性测量单元和框架平台敏感到，惯性测量单元输出角增量和速度增量框架平台输出三个框架的转角θp(中框)、γp(外框)和ψp(内框)。数学平台首先根据计算捷联姿态阵ΔC，具体方法与捷联式惯导系统一样，然后结合θp、γp和ψp按式(1)和式(2)计算载体的俯仰角θI、横滚角γI和航向角ψI。接下来是导航计算，得到载体的速度和位置并对外输出，其计算方法与捷联式惯导系统一样；稳定指令角速度的计算，以及跟踪计算得到跟踪指令角速度其方法与平台式惯导系统一样，这些都不做赘述。
其中，C为载体的姿态矩阵，c11～c33为该矩阵的各个元素，其余符号如前文所述。
最后按式(3)计算综合控制指令角速度控制器再像平台式惯导那样根据控制指令去控制电机的运动。
其中，是旋转指令角速度。这里的旋转指令角速度是混合式惯导系统引入旋转调制的具体体现，该角速度与旋转式惯导系统一样，可由用户根据使用需求进行配置。
如图2所示，系统机箱由平台舱1和电子舱2两个主要的部分构成。电子舱2包括导航/控制计算机板201和电机功放板202两块电路板。导航/控制计算机板201完成导航计算，并产生控制电机所需的脉宽调制信号，混合式惯导系统的数学平台即建立在该电路板的导航计算机内；电机功放板202对导航/控制计算机板输出的脉宽调制PWM信号进行功率放大，然后去驱动电机做旋转运动。平台舱1里安装该系统的物理平台，包括框架平台3和惯性测量单元4，惯性测量单元4与框架平台3的内框连接，框架平台3的外框通过减震器5安装到机箱上。
如图3所示，框架平台3的三个旋转轴由内向外分别是Z轴、X轴和Y轴，依次沿载体的方位、俯仰和横滚方向。初始零位状态下，三个旋转轴相互正交。内框码盘301和内框电机302，中框码盘303和中框电机304，外框码盘305和外框电机306分别安装于各自旋转轴的两端，方位轴再安装导电滑环307。当载体不存在连续翻滚运动时，框架平台的俯仰轴和横滚轴可不安装导电滑环，而是采用软导线连接。另外，当系统检测到载体出现了非正常翻滚运动，混合式惯导系统可随即将俯仰、横滚两个轴进行电锁定，通过捷联计算来进行数学隔离，也能使系统正常工作。
如图4和图5所示，惯性测量单元4由三个光纤陀螺、三个石英挠性加速度计和电路板等组成。X陀螺501、Y陀螺502、X加速度计601、Y加速度计602安装于水平方向，Z陀螺503和Z加速度计603安装于铅垂方向。电路板包括I/F转换电路板401和数据采集电路板402，它们均通过四个角的螺孔安装于惯性测量单元4。数据采集电路板402在完成对陀螺角度增量和加速度计速度增量的采样之后，将采样结果存入数据采集计算机的数组，然后数据采集计算机再通过RS-422总线将数组中的数据依次传送至导航/控制计算机板201进行后续计算。
在每个导航和控制计算周期里，首先获取当前时刻的陀螺角增量、加速度计速度增量和光电码盘转角值。这里直接得到的物理量均为这些器件敏感轴方向的测量值，由于系统机械结构加工和装配时存在误差，所以上述物理量首先补偿安装偏角，得到相互正交的速度和角度增量，然后进行捷联计算。该系统的导航计算采用捷联算法，不仅能降低对物理平台稳定控制性能的要求，降低控制误差对导航精度的影响，同时还能在平台控制出现故障的情况下做回中处理，让本系统工作在传统的捷联状态，不影响本系统继续导航定位。具体的捷联计算与现有的惯导系统类似，这里不作赘述。捷联计算过程中可以获得稳定角速度和跟踪角速度，叠加旋转角速度后作为框架平台上电机的控制指令角速度。
最后说明基于上述实施方案的混合式惯导系统所实现的高精度导航性能。图6是一次12h车载导航实验的位置误差曲线，系统所用陀螺的精度约0.01°/h。当以CEP做衡量指标时，混合式惯导方案的定位精度约0.09n mile/h。图7是使用同一系统采用传统惯导系统方案时的位置误差曲线，定位精度约0.89n mile/h。可见，混合式惯性导航系统的定位精度较传统惯性导航系统提高了约十倍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
最后所应说明的是：以上实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，所有的不脱离本发明的精神和范围的修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种混合式惯性导航系统，其特征在于：包括物理平台(1)和数学平台(2)；所述物理平台(1)包括框架平台和惯性测量单元，框架平台具有多个旋转轴，为惯性测量单元隔离载体的角运动和跟踪地理坐标系，减小惯性测量误差，并对惯性测量单元旋转调制，即使惯性测量单元相对地理坐标系做周期性的旋转运动，有效抑制惯性器件的常值漂移；所述数学平台(2)包括捷联姿态计算模块和导航计算模块，捷联姿态计算模块根据惯性测量单元提供的角度增量计算捷联姿态阵，导航计算模块利用该捷联姿态阵对惯性测量单元提供的速度增量进行转换，补偿框架平台的控制误差，以降低框架平台控制误差对导航计算精度的影响。
2.根据权利要求1所述的混合式惯性导航系统，其特征在于：所述对惯性测量单元旋转调制不是相对于系统机箱壳体，而是先隔离载体角运动再进行旋转，旋转调制角速度相对于壳体在地理系下为恒定值，调制效果更好。
3.根据权利要求1所述的混合式惯性导航系统，其特征在于：所述物理平台是几轴形式，取决于该混合式惯导系统的具体应用场合。
4.一种混合式惯性导航方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)物理平台隔离载体的角运动；
(2)物理平台在隔离载体角运动的基础上再使惯性测量单元周期性地旋转；
(3)数学平台用陀螺的数据计算捷联姿态阵；
(4)数学平台用加速度计的数据和捷联姿态阵作导航计算。
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