CN106123923B - 一种基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于惯性导航系统技术领域，具体涉及一种长时间航行的利用速度信息辅助进行陀螺漂移修正的基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法。本发明包括：惯性导航系统进行预热、初始对准前期工作后开始进入导航状态，经过一段时间后，当惯性导航系统具备10分钟内是匀速直航条件时，记此时刻为t1；根据外部辅助测量装置如多普勒计程仪对地的测速信号获取参考外部速度信息；将取得的外部速度信息投影到地理坐标系等。本发明通过建立速度误差信息与陀螺漂移间的关系式，可以只利用速度信息即可对惯性导航系统陀螺漂移进行估计并修正，提高了惯性导航系统的精度和效率，并且保证了载体的安全性和隐秘性。

Description

一种基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法
技术领域
本发明属于惯性导航系统技术领域，具体涉及一种长时间航行的利用速度信息辅助进行陀螺漂移修正的基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法。
背景技术
惯性导航系统长时间工作不校正，会由于陀螺漂移误差积累使系统导航精度下降。为了保证惯性导航系统能长期有效的工作，需要引入外部信息定期或者不定期的对系统进行综合校正，使其位置、姿态和航向等误差得到修正，同时，对陀螺漂移进行估计并在系统中对其进行补偿以限制惯性导航系统的误差，提高惯性导航系统的精度。
在以往的综合校正方法中，例如专利申请号为201210015077.7，名称为“一种船用惯性导航系统单点海上校准方法”的专利文件中公开的方法，在船舶远航一段时间积累一定导航误差后，通过获得外部提供一次单点位置导航数据，利用陀螺漂移和位置及定位信息间的关系式，即可估算出陀螺漂移并对导航系统进行补偿。又如专利申请号为201410143315.1，名称为“一种基于横坐标系的极区航行船舶捷联惯性导航系统重调方法”的专利文件中公开的综合校正方法，利用外部设备连续三次获得外部位置信息，通过建立横坐标系下惯性导航系统平台漂移角和位置误差和航向误差的关系，经过两次位置重调后，在第三次获得位置误差后对陀螺漂移进行估计并对导航系统进行重调并计算航向误差。
哈尔滨工程大学张鑫的题为“船用单轴旋转光纤陀螺捷联惯性导航初始对准/测漂及综合校正研究”的博士学位论文中，在传统综合校正的基础上提出了惯性下的两点校和三点校方法。文章所提出的的方法将ψ方程投影到惯性系下，利用位置信息和定位信息对陀螺漂移进行估算并对惯性导航系统进行校正，在保证精度的基础上解除了对载体低速、等纬度航行的限制。
上述方式并没有涉及综合校正方式的效率问题，且并不是利用速度信息对惯性导航系统进行综合校正，对于一些水下载体而言，卫星导航系统的外部位置信息难以获得，因此上述方式并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仅需速度信息即可对惯性导航系统陀螺漂移进行估计并修正，提高惯性导航系统导航精度的基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法，包括如下步骤：
(1)惯性导航系统进行预热、初始对准前期工作后开始进入导航状态，经过一段时间后，当惯性导航系统具备10分钟内是匀速直航条件时，记此时刻为t1；
(2)根据外部辅助测量装置如多普勒计程仪DVL对地的测速信号获取参考外部速度信息；在t1时刻获得第一次参考外部速度，记为在此时刻惯性导航系统的解算速度记为10分钟后在t2时刻段获得第二次参考外部速度，记为此时刻惯性导航系统的解算速度记为其中，b代表载体坐标系，n代表地理坐标系；
(3)将取得的外部速度信息投影到地理坐标系，得到：
其中，t表示时刻，即运载体运行的时刻值，t＝t1,t2；是载体坐标系到地理坐标系的转移矩阵，由惯性导航系统直接给出；
(4)将步骤3得到的地理坐标系下的外部速度信息与惯性导航系统计算的速度信息作差得到速度误差：
其中，δvn(t)为地理坐标系下在t时刻得到的速度误差；为地理坐标系下在t时刻惯性导航系统解算的速度信息；t＝t1,t2；
(5)根据惯性导航系统得到的速度误差δvn(t1)和δvn(t2)即可得到惯性导航系统误差源陀螺漂移的关系式：
εb＝[A(t2|t1)]-1[F(t2)δvn(t2)-F(t1)δvn(t1)]
其中，εb为载体坐标系下的陀螺漂移；为t1时刻到t2时刻的积分增量，是载体坐标系b到惯性坐标系i的转换矩阵，由陀螺输出自主计算；F(t)为速度误差与陀螺漂移间的代换矩阵；t＝t1,t2
(6)将步骤(5)估算得到的陀螺漂移εb，补偿到平台的指令角速度上，即可完成对惯性导航系统的陀螺进行漂移量的修正。
本发明的有益效果在于：本发明通过建立速度误差信息与陀螺漂移间的关系式，可以只利用速度信息即可对惯性导航系统陀螺漂移进行估计并修正，提高了惯性导航系统的精度和效率，并且保证了载体的安全性和隐秘性。
附图说明
图1是本发明所指的惯性导航系统陀螺漂移修正流程图；
图2是本发明与传统惯性导航系统陀螺漂移估计结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
1、载体在码头系泊状态下进行预热、初始对准，初始对准状态结束后载体离开码头进入航行状态，导航计算机开始计算航行时间t。
2、载体运行一段时间后，若此时惯性导航系统具备在10分钟内是匀速直航条件时，记此时为t1。
3、根据外部辅助测量装置如多普勒计程仪(DVL)对地的测速信号获取参考外部速度信息。
4、在t1时刻处，根据外部辅助设备多普勒计程仪取得当前对地速度信息并将其投影到地理坐标系中：
其中，b表示载体坐标系；n表示地理坐标系；表示地理坐标系下的多普勒计程仪的速度；是载体坐标系到地理坐标系的转移矩阵，可由惯性导航系统直接给出。
与惯性导航系统惯导解算值(同样取t1时间段内的平均值)作差即可得到t1时刻的惯性导航系统速度误差：
其中，δvn(t1)表示t1时刻地理坐标系下的速度误差；为t1时刻惯性导航系统惯导解算值。
5、约10分钟后在t2时刻与步骤4同，得到t2时刻的惯性导航系统速度误差：
其中，δvn(t2)表示t2时刻地理坐标系下的速度误差；为t2时刻地理坐标系下惯性导航系统的解算值。
6、根据步骤4和步骤5得到的速度误差δvn(t1)和δvn(t2)，利用下式即可得到惯性导航系统的陀螺漂移：
εb＝[A(t2|t1)]-1[F(t2)δvn(t2)-F(t1)δvn(t1)]
其中，εb为载体坐标系下的陀螺漂移；为t1时刻到t2时刻的积分增量，是载体坐标系到惯性坐标系i的转换矩阵，可由陀螺输出自主计算；为速度误差与陀螺漂移间的代换矩阵，(t＝t1,t2)
为t时刻惯性坐标系i到地理坐标系n的转换矩阵，其定义如下
λ、L为GPS在t时刻获得的经纬度信息，Ω为地球自转角速度，Δt＝t2-t1。
M(t)为计算推导过程中产生的代换矩阵，其定义如下
其中，t是载体航行时间，
其中，ω为地理坐标系相对惯性空间的旋转角速度，由于载体做匀速直航运动，因此ω可视为常值；ωx、ωy和ωz为ω在地理坐标系下三轴上的投影；vx为惯性导航系统解算得到的运载体东向速度，vy为惯性导航系统解算得到的运载体北向速度；L为运载体所在地纬度，R为地球半径。fx、fy和fz为惯性导航系统解算得到的加速度计输出比力矢量在地理坐标系三轴上的投影。
7、将步骤6估算得到的陀螺漂移εb，补偿到平台的指令角速度上，即可完成对惯性导航系统的陀螺进行漂移量的修正。

Claims (1)

1.一种基于速度辅助的惯性导航系统陀螺漂移修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)惯性导航系统进行预热、初始对准前期工作后开始进入导航状态，经过一段时间后，当惯性导航系统具备10分钟内是匀速直航条件时，记此时刻为t1；
(2)根据外部辅助测量装置如多普勒计程仪DVL对地的测速信号获取参考外部速度信息；在t1时刻获得第一次参考外部速度，记为在此时刻惯性导航系统的解算速度记为10分钟后在t2时刻段获得第二次参考外部速度，记为此时刻惯性导航系统的解算速度记为其中，b代表载体坐标系，n代表地理坐标系；
(3)将取得的外部速度信息投影到地理坐标系，得到：
其中，t表示时刻，即运载体运行的时刻值，t＝t1,t2；是载体坐标系到地理坐标系的转移矩阵，由惯性导航系统直接给出；
(4)将步骤3得到的地理坐标系下的外部速度信息与惯性导航系统计算的速度信息作差得到速度误差：
其中，δvn(t)为地理坐标系下在t时刻得到的速度误差；为地理坐标系下在t时刻惯性导航系统解算的速度信息；t＝t1,t2；
(5)根据惯性导航系统得到的速度误差δvn(t1)和δvn(t2)即可得到惯性导航系统误差源陀螺漂移的关系式：
εb＝[A(t2|t1)]-1[F(t2)δvn(t2)-F(t1)δvn(t1)]
其中，εb为载体坐标系下的陀螺漂移；为t1时刻到t2时刻的积分增量，是载体坐标系b到惯性坐标系i的转换矩阵，由陀螺输出自主计算；为速度误差与陀螺漂移间的代换矩阵；t＝t1,t2
为t时刻惯性坐标系i到地理坐标系n的转换矩阵，其定义如下
λ、L为GPS在t时刻获得的经纬度信息，Ω为地球自转角速度，Δt＝t2-t1；
M(t)为计算推导过程中产生的代换矩阵，其定义如下
其中，t是载体航行时间，
其中，ω为地理坐标系相对惯性空间的旋转角速度，由于载体做匀速直航运动，因此ω可视为常值；ωx、ωy和ωz为ω在地理坐标系下三轴上的投影；vx为惯性导航系统解算得到的运载体东向速度，vy为惯性导航系统解算得到的运载体北向速度；L为运载体所在地纬度，R为地球半径；fx、fy和fz为惯性导航系统解算得到的加速度计输出比力矢量在地理坐标系三轴上的投影；
(6)将步骤(5)估算得到的陀螺漂移εb，补偿到平台的指令角速度上，即可完成对惯性导航系统的陀螺进行漂移量的修正。
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