CN106643706A - 一种应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种应对光纤陀螺受环境温度影响而造成漂移突变情况下的应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法。本发明包括：首先用GPS全球定位系统确定载体的初始纬度，根据光纤陀螺仪和加速度计的输出信息，利用解析式粗对准法对静基座条件下的光纤惯导系统进行粗对准，确定初步的捷联矩阵T，完成粗对准过程；光纤陀螺的光纤环上装有温度检测装置，可以在精对准过程中对环境温度进行采样，采样频率为每秒一次，从而可以实时监测环境温度的梯度。本发明通过温度检测装置测量光纤惯导系统对准环境的温度变化梯度，将初始对准的精对准过程在两种方式下进行切换，可以保证系统快速、精确的完成对准任务，最终提高了初始姿态角的测量精度。

Description

一种应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法

技术领域

本发明具体涉及一种应对光纤陀螺受环境温度影响而造成漂移突变情况下的应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法。

技术背景

初始姿态的测量问题也属于光纤惯导系统初始对准问题的一部分，初始对准是光纤惯导系统的主要技术之一，分为粗对准和精对准两个阶段，由于较高精度的初始姿态信息较难获取，而初始姿态的误差会使导航的位置误差随时间快速发散，严重影响导航系统的精度及性能，因此初始姿态的测量被作为研究惯导系统的重点和难点而受到广大研究工作者的关注。

光纤惯导系统在实际应用时，初始对准的过程中会受到环境的影响，环境温度的变化过大会对光纤陀螺的漂移产生影响，使其产生突变，若在对准过程中不考虑这种突变情况，就会影响初始对准的效果，从而影响初始姿态测量的精度。

在以往的测量初始姿态的方法中，例如专利申请号为201310396476.7，名称为“一种动基座SINS大方位失准角条件下初始对准方法”的专利文件中公开的初始对准方法，在粗对准以后，通过建立惯导系统在大方位失准角情况下的非线性状态方程以及观测方程，利用容积卡尔曼滤波(CKF)算法估计出失准角，得到惯导系统的初始姿态矩阵，从而得到初始姿态角。该方法虽然运用了现代估计理论中的卡尔曼滤波方法，但是将陀螺漂移设定为常值，并没有将陀螺漂移的变化情况考虑在内，这使得对准精度降低，因此，该方法并不适用于实际应用中的惯导系统。

再如在国防科技大学的题为捷联惯导系统罗经对准方法研究的工学硕士学位论文中，主要研究了捷联惯导系统的初始对准问题，基于惯导系统的误差方程和罗经效应，综合考虑系统的稳定性、对准的快速性和精确性等因素，给出四阶罗经回路对准的原理图，这篇论文同样存在上述提到的问题，设计中将陀螺的漂移设置为常值，没有将环境温度变化因素考虑在内，整个对准过程中始终使用一种回路进行对准，实际应用中同样不适用。

发明目的

本发明的目的在于提供一种应对光纤惯导系统陀螺漂移受温度影响产生突变情况下的应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

1、首先用GPS全球定位系统确定载体的初始纬度，根据光纤陀螺仪和加速度计的输出信息，利用解析式粗对准法对静基座条件下的光纤惯导系统进行粗对准，确定初步的捷联矩阵T，完成粗对准过程；

2、光纤陀螺的光纤环上装有温度检测装置，可以在精对准过程中对环境温度进行采样，采样频率为每秒一次，从而可以实时监测环境温度的梯度；

3、精对准过程开始，使用模式一(图2)和模式二(图3)即基于控制系统原理图进行对准；

4、当环境温度梯度即一秒内温度变化(两次采样温度数值之差)小于或等于1摄氏度时，使用模式一对准回路进行对准，图2(1)所示的对准回路中，A_E为东向加速度计输出，ε_N为北向陀螺漂移，g为标准重力加速度，φ_y为北向误差角，S为拉氏变换的一个参数，k_f1、k_f3、k₁、k₁₃、μ均为参数；图2(2)所示的对准回路中，A_N为北向加速度计输出，ε_E为东向陀螺漂移，ε_U为天向陀螺漂移，φ_x为东向误差角，φ_z为方位误差角，g为标准重力加速度，ω_ie为地球自转角速度，为载体所在的地理纬度，k_f2、k_f3、k₂、k₃、μ均为参数，参数值设置如下：

ξ＝0.5，ω_n＝0.0375；

k_f1＝k_f2＝k_f3＝2ξω_n

其中，ξ为系统的阻尼比，ω_n为无阻尼振荡角频率。

5、当环境温度梯度大于1摄氏度时，将系统切换到模式二进行对准，图3(1)所示回路中，m_f1、m₁为参数；图3(2)所示回路中，m_f2、m₂为参数，参数值设置如下：

ξ＝0，ω_n＝0.0012

m_f1＝m_f2＝2ω_n

6、精对准结束，φ_x、φ_y、φ_z趋于稳态值，完成静基座条件下的精对准过程，得到较为 精确的初始捷联矩阵进而算出较为精确的三个姿态角。

本发明的有益效果在于：已发现使用此种方法进行对准，可以使三个误差角快速的趋于稳定，得到较为精确的捷联矩阵，提高了对准的精度。

本发明通过温度检测装置测量光纤惯导系统对准环境的温度变化梯度，将初始对准的精对准过程在模式一和模式二两种方式下进行切换，可以保证系统快速、精确的完成对准任务，最终提高了初始姿态角的测量精度。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的精对准模式一原理图；

图3是本发明的精对准模式二原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明

1、利用全球定位系统GPS确定载体的纬度信息

2、将光纤惯导系统预热后采集静基座条件下光纤陀螺的输出与加速度计的输出g^b，其中为地球自转角速率在载体坐标系的投影，g^b为重力加速度在载体坐标系的投影；

3、根据加速度计输出与重力加速度的关系和陀螺仪输出与地球自转角速率的关系确定粗对准后的捷联矩阵T_粗

4、光纤陀螺的光纤环装有温度检测装置，利用该温度检测装置实时测量精对准过程中的温度梯度；

5、精对准过程开始，使用模式一(图2)和模式二(图3)两种方式进行对准；

6、当环境温度梯度即一秒内温度(两次采样温度数值之差)小于或等于1摄氏度时，使用模式一(图2)对准回路进行对准，参数值设置如下

ξ＝0.5，ω_n＝0.0375

k_f1＝k_f2＝k_f3＝2ξω_n

其中，ξ为系统的阻尼比，ω_n为无阻尼振荡角频率，

g＝9.78049m/s²

ω_ie＝7.292×10^-5rad/s

7、当环境温度梯度大于1摄氏度时，将系统切换到模式二(图3)回路进行对准，参数值设置如下：

ξ＝0，ω_n＝0.0012

m_f1＝m_f2＝2ω_n

8、精对准结束，误差角φ_x、φ_y、φ_z趋于稳态值，完成静基座条件下的精对准过程；

9、初始对准过程结束，得到较为精确的初始捷联矩阵

其中，T_i,j(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为矩阵中的元素，

由此矩阵可以获得三个姿态角(纵摇角、横摇角、航向角)的主值

θ_主＝sin^-1(T₃₂)

进而获得三个姿态角的真值

θ_真＝θ_主

从而完成了光纤陀螺受温度影响而造成漂移突变情况下的姿态测量。

Claims (1)

1.一种应对环境温度突变的光纤惯导系统姿态测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用GPS全球定位系统确定载体的初始纬度，根据光纤陀螺仪和加速度计的输出信息，利用解析式粗对准法对静基座条件下的光纤惯导系统进行粗对准，确定初步的捷联矩阵T，完成粗对准过程；

(2)在精对准过程中利用光纤陀螺的光纤环上装有温度检测装置对环境温度进行采样，采样频率为每秒一次，实时监测环境温度的梯度；

(3)精对准过程开始，基于控制系统原理图进行对准；

(4)当环境温度梯度即一秒内温度变化或两次采样温度数值之差小于或等于1摄氏度时，使对准回路进行对准，对准回路中，A_E为东向加速度计输出，ε_N为北向陀螺漂移，g为标准重力加速度，φ_y为北向误差角，S为拉氏变换的一个参数，k_f1、k_f3、k₁、k₁₃、μ均为参数；对准回路中，A_N为北向加速度计输出，ε_E为东向陀螺漂移，ε_U为天向陀螺漂移，φ_x为东向误差角，φ_z为方位误差角，g为标准重力加速度，ω_ie为地球自转角速度，为载体所在的地理纬度，k_f2、k_f3、k₂、k₃、μ均为参数，参数值设置如下：

ξ＝0.5，ω_n＝0.0375；

k_f1＝k_f2＝k_f3＝2ξω_n

$k_1=k_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2(1+{\mathrm{\ξ}}^2)}{2{\mathrm{\ξg\ω}}_n}$

$k_{13}=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{4g}$

其中，ξ为系统的阻尼比，ω_n为无阻尼振荡角频率；

(5)当环境温度梯度大于1摄氏度时，对系统进行对准，回路中，m_f1、m₁为参数；回路中，m_f2、m₂为参数，参数值设置如下：

ξ＝0，ω_n＝0.0012

m_f1＝m_f2＝2ω_n

$m_1=m_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2(1+{\mathrm{\ξ}}^2)}{2{\mathrm{g\ω}}_n};$

(6)精对准结束，φ_x、φ_y、φ_z趋于稳态值，完成静基座条件下的精对准过程，得到较为精确的初始捷联矩阵进而算出较为精确的三个姿态角。