CN107202576A - 一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法 - Google Patents
一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；安装结构，包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚；每个安装基准脚有两个安装基准脚螺纹孔；四面体框架关于三条梁对称，并为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，三角凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个底面螺纹孔；惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法，属于捷联惯性导航系统性能提升领域。
背景技术
常规捷联惯性导航系统受限于自身机理其导航误差快速累积，且三轴正交的装配模式会出现单个惯性器件故障直接导致系统失效的问题。目前，通过器件级冗余配置技术，用更低的成本、体积代价，能够有效提升系统的可靠性。同时，利用双轴旋转调制技术，抑制三个轴向的惯性器件误差，实现导航精度的大幅提升。因此，冗余式双轴旋转调制捷联惯性导航方法，可以实现可靠性和导航精度的综合提升。
现有的捷联惯导性能提升方法，仅能单一提升系统可靠性或者导航精度。《一种对称斜置式四陀螺惯导冗余配置方案》(发表于期刊《传感器与微系统》，2015年，02期)一文中，提出了一种对称斜置式的四冗余配置方案，实现了最小器件余度下系统可靠性的大幅提升。但是，器件冗余通过数据融合的方式，无法根本改变误差传播机理，对捷联惯导系统精度提升有限。而引入双轴旋转调制技术，能够同时抑制三个轴向的惯性器件误差，并保证导航自主性。但是，该技术仅能提升系统导航精度，无法解决惯性器件故障导致系统直接失效的问题。综上所述，现有的捷联惯性导航系统及性能提升方法无法同时兼顾系统可靠性和导航精度，限制了系统实际工况下的工作效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以同时提升系统的可靠性和导航精度的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法。
本发明的目的是这样实现的，
一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；
安装结构，包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚，三个安装基准脚的中心构成等边三角形，三个安装基准脚的上表面共面，且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚有两个螺纹孔，两个螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架关于三条梁对称，为空心结构；
L型支撑脚有三角凹槽，凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个螺纹孔；
惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。
一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，还可以包括：
1.四面体安装框架、L型支撑脚均为一体成型。
2.所述的L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。
一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，包括如下步骤：
步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；
步骤二、利用双轴旋转调制方案，使双轴旋转机构控制惯性测量组件按照作双轴旋转；
步骤三、采集旋转调制作用下的捷联惯性导航系统的陀螺仪测量数据和加速度测量数据；
步骤四、利用双轴旋转转换矩阵对步骤三中采集的陀螺仪测量数据和加速度计测量数据进行坐标转换，分别得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值；
所述的陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值表达式为
式中，和分别为陀螺仪和加速度计在载体坐标系下的测量值；为陀螺仪在旋转坐标系下的测量值；为加速度计在旋转坐标系下的测量值；为双轴旋转引起的旋转坐标系到载体坐标系的转换矩阵。
步骤五、应用最小二乘估计算法，计算得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值和
所涉及的陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值的计算表达式为
式中，H为系统冗余配置矩阵；为陀螺仪载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；为加速度计载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；
步骤六、将步骤五计算得到的和进行捷联惯性导航解算，实时解算连续地输出载体的导航信息，直至导航任务结束。
本发明相对现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统能够大幅提升系统可靠性，且系统成本和体积增加，便于在空间有限的导航室使用和维护。
(2)本发明利用惯性器件自身的测量信息和周期性、有规律的旋转调制提升系统精度，能够有效解决捷联惯性导航系统对外部辅助信息依赖性强而破坏其导航自主性的问题。
(3)本发明将四冗余配置和双轴旋转调制方法有机地融合，通过冗余配置增强系统的可靠性和精度，通过双轴旋转调制抑制等效惯性器件误差所导致的导航误差积累，实现捷联惯性导航系统可靠性和导航精度的综合提升。
附图说明
图1为四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统。
图2为四冗余捷联惯性导航系统安装结构。
图3为安装结构L型支撑脚正视图。
图4为安装结构L型支撑脚俯视图。
图5为惯性测量组件。
图6为四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法基本流程框图。
图7为八次序双轴旋转方案。
图8为系统可靠度函数曲线。
图9为捷联惯性导航系统东向速度误差曲线。
图10为捷联惯性导航系统北向速度误差曲线。
图11为捷联惯性导航系统经度误差曲线。
图12为捷联惯性导航系统纬度误差曲线。
图13为捷联惯性导航系统位置误差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，如附图1所示，由惯性测量组件1、安装结构2、双轴旋转机构3构成。如附图2所示，安装结构2，包括：四面体框架4、三个L型支撑脚7；四面体框架4包括三个斜面和一个底面，斜面与底面间的夹角均为冗余配置角度α＝70.53°；四面体框架4的每个平面均有三个安装基准脚5，三个安装基准脚5的中心构成等边三角形，三个安装基准脚5的上表面共面，且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚5有两个安装基准脚螺纹孔6，两个安装基准脚螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架4关于三条梁对称，并设计成空心结构，减轻框架重量；
L型支撑脚7正视图、俯视图，分别如附图3和附图4所示。L型支撑脚7由有三角凹槽9，三角凹槽中心攻有螺纹8，用于固连四面体框架4和L型支撑脚7；每个支撑脚底面有两个底面螺纹孔10，用于安装结构与底座固连；四面体安装框架和L型支撑脚均采用一体成型方式加工，保证结构强度。L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。
惯性测量组件1，如附图5所示，惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板；四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构2的底座；双轴旋转机构3与安装结构2固连，使得惯性测量组件1按照转位方案周期性旋转；
本发明提出一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法，其流程图如附图6所示，该方法是通过下述的技术步骤实现的：
步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；
所涉及的四面体冗余配置方案具体描述为：选取四面体框架底面作为xoy面，底面中心为坐标系原点o，以四面体的高线作为z轴，底面正三角形的高线作为x轴，使z轴与x轴、y轴共同构成右手直角坐标系oxyz；惯性测量组件1装配于四面体框架底面，测量轴沿z轴方向；测量组件2、3、4装配于四面体框架三个斜面，测量轴在xoy面的投影相互间的夹角均为120°，测量轴与z轴的夹角均为α＝70.53°；
步骤二、针对步骤一中的四冗余捷联惯性导航系统设计双轴旋转调制方案，使双轴旋转机构控制惯性测量组件按照转位方案作周期性旋转；
所设计的双轴旋转方案优选为八次序双轴旋转方案，如附图7所示，冗余式捷联惯性导航系统绕坐标轴做连续旋转，各次序旋转时间均为90秒，完成八次序双轴旋转的周期为12分钟；转动次序1，冗余式捷联惯导系统绕x轴正向旋转180°；转动次序2，绕z轴正向旋转180°；转动次序3，绕x轴反向旋转180°；转动次序4，绕z轴反向旋转180°回到初始位置。次序5-8与次序1-4对称反向旋转。
所涉及的八次序双轴旋转转换矩阵为
式中，ω＝π/Tr，ω为捷联惯导系统绕坐标轴旋转的角速率；Tr为每次序的旋转时间；
步骤三、实时、连续采集旋转调制作用下的捷联惯性导航系统的陀螺仪测量数据和加速度测量数据
步骤四、利用八次序双轴旋转转换矩阵对步骤三中采集的陀螺仪测量数据和加速度计测量数据进行坐标转换，分别得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值为
式中，和分别为陀螺仪和加速度计在载体坐标系下的测量值；为陀螺仪在旋转坐标系下的测量值；为加速度计在旋转坐标系下的测量值；为为步骤二中采用的八次序双轴旋转引起的旋转坐标系到载体坐标系的转换矩阵。
步骤五、对步骤四中陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值和应用最小二乘估计算法计算得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值和
所涉及的陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值的最小二乘估计算法为
式中，H为系统冗余配置矩阵；为陀螺仪载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；为加速度计载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；
步骤六、将步骤五计算得到的和输入捷联惯性导航系统，实时解算连续地输出载体的速度和位置信息，直至导航任务结束。
为了验证本发明方法的合理性与有效性，通过可靠度和平均无故障时间比较计算的方式验证四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统可靠性提升效果，并通过计算机仿真验证所发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法导航精度提升的有效性。
可靠性分析的具体配置描述如下：
表1可靠性分析的具体配置
本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统采用的是配置三，配置一和配置二是对比配置，为捷联惯性导航系统的常规配置，三种配置的惯性器件均为单自由度。
可靠性分析的结果如下：
表2系统可靠度及平均无故障时间(MTBF)
表中λ为故障率，单个惯性器件的MTBF为1/λ。系统的MTBF计算值越大，说明系统的可靠性越高。从表2可以看出配置三的平均无故障时间较配置一和配置二分别提高了1.6倍和2.35倍；假设单个惯性器件的MTBF为10000h，三种配置的可靠度时间函数曲线如附图8所示，图8表明配置三的可靠度明显高于配置一与配置二，且随时间推移可靠度下降较慢，长时间工作条件下仍然能维持在较高水平。结合上述分析可知，相比较捷联惯性导航系统的常规配置，本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统可以有效提升系统的可靠性。
对所发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法的精度性能进行计算机仿真，仿真条件设定如下：
四个陀螺仪的常值漂移分别为0.001°/h，0.001°/h，0.0015°/h，0.0015°/h；四个加速度计零偏分别为10μg，10μg，15μg，15μg；标度因数误差设置为Sgx＝Sgy＝Sgz＝6×10-6，忽略安装误差。载体运动模拟静基座状态，初始纬度45.7796°N，初始经度126.6705°E。初始姿态误差角设置为6″，仿真时长12h。八次序双轴旋转方案如步骤三所示，单轴旋转方案为绕z轴以2°/s旋转角速率的单轴连续旋转。
采用四面体冗余配置的捷联惯性导航系统的无旋转调制、单轴旋转调制以及双轴八次序旋转调制的东向速度误差曲线、北向速度误差曲线、经度误差曲线、纬度误差曲线、位置误差曲线分别如图9、图10、图11、图12与图13所示。由图9和图10可知，本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法的东向速度误差和北向速度误差振荡幅度大幅度减小，误差被调制在更小范围；由图11、图12和图13可知，经度误差、纬度误差均得到有效抑制，定位误差的发散程度显著降低；总体仿真结果表明，本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航方法整体精度性能明显优于四冗余无旋转调制捷联惯性导航方法和四冗余单轴旋转调制捷联惯性导航方法，能够明显抑制导航误差发散，有效保证惯导系统长时间工作的导航精度。
结合上述分析，得到如下的结果：本发明的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法，不仅可以大幅度提升系统的可靠性，同时还能够有效抑制等效惯性器件误差引起的各项导航误差的累积，提高系统长时间工作的导航精度。因此，本发明可以更为全面地提升捷联惯性导航系统的性能，更好地满足导航系统长时间高可靠和高精度工作的实际应用需求。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，包括：安装结构、惯性测量组件、双轴旋转机构；其特征在于，
安装结构包括：四面体框架、三个L型支撑脚；四面体框架包括三个斜面和一个底面；四面体框架的每个平面均有三个安装基准脚，三个安装基准脚的中心构成等边三角形，三个安装基准脚的上表面共面且与所在的四面体框架平面平行；每个安装基准脚有两个安装基准脚螺纹孔，两个安装基准脚螺纹孔的中心轴线均垂直于安装平面且关于安装基准脚中心对称分布；四面体框架关于三条梁对称，并为空心结构；L型支撑脚有三角凹槽，三角凹槽中心攻有螺纹；L型支撑脚底面有两个底面螺纹孔；
惯性测量组件为由一个陀螺仪、一个加速度计和辅助元器件集成的电路板，电路板上有安装孔；
四套惯性测量组件通过与安装基准脚连接装配于四面体框架的四个安装面，通过支撑脚固定于安装结构的底座；双轴旋转机构与安装结构固连。
2.如权利要求1所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，其特征在于，四面体安装框架、L型支撑脚均为一体成型。
3.如权利要求1或2所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统，其特征在于，所述的L型支撑脚与相邻的安装基准脚之间留有1mm～2mm的间隙。
4.一种采用了权利要求1所述的四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统进行初始化，保持双轴双轴旋转机构不动，完成系统的初始对准；
步骤二、利用双轴旋转调制方案，使双轴旋转机构控制惯性测量组件按照作双轴旋转；
步骤三、采集旋转调制作用下的捷联惯性导航系统的陀螺仪测量数据和加速度测量数据
步骤四、利用双轴旋转转换矩阵对步骤三中采集的陀螺仪测量数据和加速度计测量数据进行坐标转换，分别得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值；
步骤五、应用最小二乘估计算法，计算得到陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值和
步骤六、将步骤五计算得到的和进行捷联惯性导航解算，实时解算连续地输出载体的导航信息，直至导航任务结束。
5.如权利要求4所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，其特征在于，所述的陀螺仪和加速度计载体坐标系下的测量值表达式为
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式中，和分别为陀螺仪和加速度计在载体坐标系下的测量值；为陀螺仪在旋转坐标系下的测量值；为加速度计在旋转坐标系下的测量值；为双轴旋转引起的旋转坐标系到载体坐标系的转换矩阵。
6.如权利要求4或5所述的一种采用了四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统的导航方法，其特征在于，所涉及的陀螺仪和加速度计载体坐标系下三个轴向等效测量值的计算表达式为
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式中，H为系统冗余配置矩阵；为陀螺仪载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值；为加速度计载体坐标系下x轴、y轴和z轴的等效测量值。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201710356791.5A CN107202576A (zh) | 2017-05-19 | 2017-05-19 | 一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法 |
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| CN201710356791.5A Pending CN107202576A (zh) | 2017-05-19 | 2017-05-19 | 一种四冗余双轴旋转调制捷联惯性导航系统及导航方法 |
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| CN (1) | CN107202576A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112815937A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-18 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种冗余惯性测量单元数据融合最优权重估计方法 |
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| CN105588565A (zh) * | 2016-03-08 | 2016-05-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于冗余配置的捷联惯导系统双轴旋转调制方法 |
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2017
- 2017-05-19 CN CN201710356791.5A patent/CN107202576A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170926 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |