CN108592946A - 一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，首先，利用旋转调制技术可大大改变惯导系统器件误差可观测性的特点，设计了两套旋转惯导的冗余配置结构和惯性器件漂移的在线监控方案，构建了惯性器件漂移的误差模型；其次，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量、以惯导系统的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量构建卡尔曼滤波器，实现了对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计零偏的在线实时监控，并通过两套惯导系统间导航信息的比对，实现自主故障检测和隔离。本发明可提高对两套惯导中故障惯导自主检测与隔离的可靠性，对确保载体安全飞行和执行任务具有重要的意义。

Description

一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控 方法

技术领域

本发明属于惯性器件漂移在线监控技术领域，具体涉及一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，用于在两套旋转惯导冗余配置下，实时在线监控两套惯导的所有陀螺漂移和加速度计零偏，适用于惯导系统的自主故障检测和隔离，特别适用于只有两套惯导系统时的自主故障检测与隔离。

背景技术

惯性导航系统利用陀螺仪和加速度计分别测量载体的角速度和线加速度，并根据航位推算原理实时解算出载体的姿态、速度、位置信息。由于惯导系统不需借助外界设备即可独立为载体提供导航信息，且自主性好、隐蔽性好、不易受外界干扰、输出信息连续，因此，惯导系统在军事方面的应用极为广泛。然而，惯导系统的缺点在于导航误差随时间的积累而发散，在惯导系统各项误差源中，陀螺仪的漂移和加速度计的零偏是影响导航精度的一项重要原因。因此，有效抑制惯性器件的漂移是提高惯导精度的一项重要途径。

为抑制惯性器件漂移对导航精度的影响，旋转调制技术应运而生。旋转调制技术可实现在同等惯性器件水平下大幅提高惯导系统精度，兼具降低成本和提高性能的优势，应用极为广泛。为实现在高精度自主导航的基础上保证可靠性和安全性，大型运载体上一般会装备两套及以上旋转惯导系统，并通过不同系统导航信息的比对，实现自主故障检测与隔离。然而，当只装备两套惯导系统时，则难以有效地进行故障隔离。针对此问题，本发明提出了一种基于两套旋转惯导系统冗余配置下的陀螺漂移和加速度计零偏在线实时监控技术，充分利用旋转调制技术可大大改变惯导系统器件误差可观测性的特点，通过两套惯导系统之间的信息交互，实现了对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计误差的实时在线监控。

发明内容

本发明提出了一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，通过两套惯导系统之间的信息交互，对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计误差进行实时在线监控，实现了两套惯导系统间的自主故障检测与隔离。

本发明的技术方案为：一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，首先，利用旋转调制技术可大大改变惯导系统器件误差可观测性的特点，设计了两套旋转惯导的冗余配置结构和惯性器件漂移的在线监控方案，构建了惯性器件漂移的误差模型；其次，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量、以惯导系统的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量构建卡尔曼滤波器，实现了对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计零偏的在线实时监控，并通过两套惯导系统间导航信息的比对，实现自主故障检测和隔离。

其中，所述惯性器件漂移的在线监控方案为：1号旋转惯导系统即RINS1沿内框轴指天正反转，实现对水平方向上X轴、Y轴的惯性器件漂移的调制；2号旋转惯导系统即RINS2沿外框轴水平正反转，实现对X轴、Z轴的惯性器件漂移的调制，RINS1、RINS2的敏感轴坐标系(即s系)与导航坐标系(即n系)之间的方向余弦矩阵：

其中，为RINS1的内框光栅转角，为RINS2的外框光栅转角；

因此，RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移在导航系(即n系)下的投影为：

式(4)与式(5)中，ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别表示RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，ε_E1,ε_N1,ε_U1、ε_E2,ε_N2,ε_U2分别表示RINS1、RINS2在n系下的等效陀螺漂移；

将式(4)与式(5)作差，可得两套旋转惯导冗余配置下的导航系等效陀螺漂移为：

式(6)中，ε_E,ε_N,ε_U为两套旋转惯导冗余配置下在n系的等效陀螺漂移；

由式(6)可知，RINS1与RINS2的敏感轴陀螺漂移在导航系下表现形式不同，引起姿态误差上存在差异，因此，利用姿态量测上的差异即可分离、并监控两套系统各自的敏感轴陀螺漂移，两套系统加计零偏的监控方法与陀螺漂移原理相同。

其中，所述卡尔曼滤波器的构建过程如下：

卡尔曼滤波器中以RINS1、RINS2的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量：

其中，δφ_E,δφ_N,δφ_U分别为RINS1、RINS2的东向平台偏角、北向平台偏角、天向平台偏角之差；δV_E,δV_N,δV_U分别为RINS1、RINS2的东向速度、北向速度、天向速度之差；δλ,δL分别为RINS1、RINS2的经度、纬度之差；ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别为RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，分别为RINS1、RINS2的敏感轴加速度计零偏；

以RINS1、RINS2输出的姿态、速度、位置之差作为观测量：

式(11)中，δθ,δγ,δψ分别为RINS1、RINS2的俯仰角、横滚角、航向角之差；下角标中INS1、INS2分别表示RINS1、RINS2输出的导航信息；

所构建的卡尔曼滤波器中，观测量中的姿态误差角δθ,δγ,δψ与状态量中的平台误差角δφ_E,δφ_N,δφ_U具有如下转换关系：

由此，构建以两套旋转惯导的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量的卡尔曼滤波器，可实现对两套旋转惯导冗余配置下惯性器件漂移的在线监控和估计。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对于惯导系统的故障检测与隔离技术，大多研究是基于载体上同时装配三套及以上惯导系统的情况，此时，当某套惯导系统发生故障时，通过另外两套或多套系统导航信息的比对，实现自主故障检测与隔离。然而，当只装备两套惯导系统时，则难以有效地进行故障隔离。针对上述问题，本发明提出了一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术，以实现两套惯导系统间的自主故障检测与隔离。

(2)本发明充分利用两套旋转惯导的导航信息，通过信息交互和数据融合即可实现对所有陀螺漂移和加速度计零偏的在线监控，无需借助其他的外界检测设备，因此自主性强、且易于实现。

(3)传统的漂移估计模型一般仅以速度、位置作为量测量，这就导致陀螺漂移的估计收敛效果有所降低，本发明在速度、位置作为量测的同时又引入两套旋转惯导的姿态差作为量测，极大地提高了漂移估计的收敛速度和收敛精度。

附图说明

图1为本发明的两套旋转惯导冗余配置下惯性器件漂移在线监控方法原理图；

图2为本发明的旋转控制状态示意图，其中，图2(a)和图2(b)分别为1号惯导系统、2号惯导系统的旋转状态；

图3为本发明实施例中静态实验的两套旋转惯导所有惯性器件漂移在线监控结果图，其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别为1号惯导系统陀螺漂移、1号惯导系统加速度计零偏、2号惯导系统陀螺漂移、2号惯导系统加速度计零偏的监控结果图；

图4为本发明实施例中动态实验的两套旋转惯导所有惯性器件漂移在线监控结果图，其中，图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)分别为1号惯导系统陀螺漂移、1号惯导系统加速度计零偏、2号惯导系统陀螺漂移、2号惯导系统加速度计零偏的监控结果图；

图5为本发明实施例中动态实验的载体运动轨迹图；

图6为本发明实施例中动态实验的载体运动速度图；

图7为本发明实施例中动态实验的载体运动姿态图，其中，图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为载体的俯仰角、横滚角、航向角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细介绍本发明方法。

本发明是一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，利用旋转调制技术可大大改变惯导系统器件误差可观测性的特点，设计了两套旋转惯导的冗余配置结构和惯性器件漂移的在线监控方案，如图1所示，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量、以惯导系统的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量构建卡尔曼滤波器，实现对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计零偏的在线实时监控，并通过两套惯导系统间导航信息的比对，实现自主故障检测和隔离。基于上述原理，设计仿真实验，对本发明提出的基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术进行仿真验证。具体各部分的实现过程如下所示。

1、构建惯性器件漂移的模型。陀螺漂移和加速度零偏具有慢变特性，为提高长航时器件漂移的监控精度，将陀螺漂移和加速度零偏建立为随机常值、一阶马尔科夫和高斯白噪声的综合模型。所构建的惯性器件漂移模型如下：

其中，ε_b、为陀螺随机常值漂移和加速度计随机常值零偏，随惯导系统的逐次启动有所变化，ε_r、为一阶马尔科夫过程，用于准确描述陀螺漂移和加速度计零偏的慢变特性，τ_G、τ_A为一阶马尔科夫过程的相关时间；w_gr、w_ar为一阶马尔科夫过程中陀螺、加速度计的白噪声，w_g、w_a为陀螺、加速度计的高斯白噪声。

2、基于两套旋转惯导不同的旋转调制状态，利用方向余弦矩阵将两套惯导的敏感轴陀螺漂移和加计零偏投影至导航坐标系，得到导航系下的等效陀螺漂移和加计零偏。两套惯导系统的旋转调制状态分别如图2(a)和图2(b)所示：RINS1(1号旋转惯导系统)沿内框轴指天正反转，实现对水平方向上X轴、Y轴的的惯性器件漂移的调制；RINS2(2号旋转惯导系统)沿外框轴水平正反转，实现对X轴、Z轴的的惯性器件漂移的调制。如下所示分别为RINS1、RINS2的敏感轴坐标系(s系)与导航坐标系(n系)之间的方向余弦矩阵：

其中，为RINS1的内框光栅转角，为RINS2的外框光栅转角。

因此，RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移在导航系(n系)下的投影为：

式(4)与式(5)中，ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别表示RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，ε_E1,ε_N1,ε_U1、ε_E2,ε_N2,ε_U2分别表示RINS1、RINS2在n系下的等效陀螺漂移。

将式(4)与式(5)作差，可得两套旋转惯导冗余配置下的导航系等效陀螺漂移为：

式(6)中，ε_E,ε_N,ε_U为两套旋转惯导冗余配置下在n系的等效陀螺漂移。

同理，可得两套旋转惯导冗余配置下的导航系等效加速度计零偏为：

式(7)中，分别表示RINS1、RINS2的敏感轴加速度计零偏，分别表示RINS1、RINS2在n系下的等效加速度计零偏，为两套旋转惯导冗余配置下在n系的等效加速度计零偏。

3、构建惯性器件漂移在线监控系统的状态模型。状态模型主要包括姿态误差方程、速度误差方程和位置误差方程。

姿态误差方程为：

速度误差方程为：

位置误差方程为：

根据状态方程式(8)至式(10)，选取状态变量为：

其中，δφ_E,δφ_N,δφ_U分别为RINS1、RINS2的东向平台偏角、北向平台偏角、天向平台偏角之差；δV_E,δV_N,δV_U分别为RINS1、RINS2的东向速度、北向速度、天向速度之差；δλ,δL分别为RINS1、RINS2的经度、纬度之差；ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别为RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，分别为RINS1、RINS2的敏感轴加速度计零偏。

4、构建惯性器件漂移在线监控系统的量测模型。量测模型中，以RINS1输出的姿态、速度、位置与RINS2输出的姿态、速度、位置之差作为量测，实现对RINS1和RINS2的陀螺漂移与加速度计零偏的估计，如下所示。

式(11)中，δθ,δγ,δψ分别为RINS1、RINS2的俯仰角、横滚角、航向角之差；下角标中INS1、INS2分别表示RINS1、RINS2输出的导航信息。

其中，观测量中的姿态误差角δθ,δγ,δψ与状态量中的平台误差角δφ_E,δφ_N,δφ_U之间的转换关系推导过程如下：

设真实导航坐标系为n系，计算导航坐标系为n′系，则n′系相对n系存在小角度的偏差，该小角度偏差即为平台误差角，定义为φ_E、φ_N、φ_U，由此可得n′系与n系的转换矩阵为：

记真实导航坐标系n系下的载体姿态角为：θ、γ、ψ；由计算导航坐标系为n′系得到的载体姿态角为：

θ′＝θ+δθ,γ′＝γ+δγ,ψ′＝ψ+δψ (13)

上式中，δθ、δγ、δψ即为姿态误差角。

则由计算导航坐标系为n′系得到的载体姿态角与真实导航坐标系n系下的载体姿态角关系为：

记则有：

对于计算导航坐标系(n′系)得到的载体姿态角有：

对上式的左右两边同时展开，化简，可得：

由此，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量，以两套旋转惯导的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量，构建卡尔曼滤波器，可实现对两套旋转惯导冗余配置下惯性器件漂移的在线监控和估计。

5、设计仿真实验，对本发明提出基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术进行仿真验证。仿真实验包括静态实验和动态试验两部分。

仿真实例静态试验中，两套系统的初始经度为116°E，初始纬度为40°N，两套旋转惯导的敏感轴惯性器件漂移参数分别如下：陀螺随机常值漂移为0.02°/h，一阶马尔科夫过程相关时间为1h，随机游走系数为白噪声均方差为0.002°/h；加计常值零偏为50μg，随机误差为2μg，一阶马尔科夫过程相关时间为1h，白噪声均方差为2μg。两套旋转惯导惯性器件漂在线监控的过程中，RINS1(1号旋转惯导系统)内框轴指天连续正反转，RINS2(2号旋转惯导系统)外框轴水平连续正反转，转速均为12°/s，仿真时间为10h。

仿真实例动态实验部分设置载体机动方式包括：载体的加减速过程，航向机动以及俯仰、横滚运动，如图5至图7所示，分别为载体运动的轨迹、速度、姿态图。惯性器件漂移参数设置同静态实验。由此验证当载体存在机动时，可利用本发明提出的两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术实现对所有陀螺漂移和加速度零偏的实时在线监控。

图3和图4分别为静态实验和动态试验中两套旋转惯导敏感轴陀螺漂移和加速度计零偏的在线监控结果，从两图中可以看出，本发明提出的基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术可实现对所有陀螺漂移和加速度零偏的实时在线监控，并且，对陀螺漂移的监控精度可达到0.005°/h，对加速度计零偏的监控精度可达到1ug。

总之，本发明利用两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控技术可提高对两套惯导中故障惯导自主检测与隔离的可靠性，对确保载体安全飞行和执行任务具有重要的意义。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，其特征在于：首先，利用旋转调制技术可大大改变惯导系统器件误差可观测性的特点，设计了两套旋转惯导的冗余配置结构和惯性器件漂移的在线监控方案，构建了惯性器件漂移的误差模型；其次，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量、以惯导系统的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量构建卡尔曼滤波器，实现了对两套惯导所有陀螺漂移和加速度计零偏的在线实时监控，并通过两套惯导系统间导航信息的比对，实现自主故障检测和隔离。

2.根据权利要求1所述的基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，其特征在于：所述惯性器件漂移的在线监控方案为：1号旋转惯导系统即RINS1沿内框轴指天正反转，实现对水平方向上X轴、Y轴的惯性器件漂移的调制；2号旋转惯导系统即RINS2沿外框轴水平正反转，实现对X轴、Z轴的惯性器件漂移的调制，RINS1、RINS2的敏感轴坐标系(即s系)与导航坐标系(即n系)之间的方向余弦矩阵：

其中，为RINS1的内框光栅转角，为RINS2的外框光栅转角；

因此，RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移在导航系(即n系)下的投影为：

式(4)与式(5)中，ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别表示RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，ε_E1,ε_N1,ε_U1、ε_E2,ε_N2,ε_U2分别表示RINS1、RINS2在n系下的等效陀螺漂移；

将式(4)与式(5)作差，可得两套旋转惯导冗余配置下的导航系等效陀螺漂移为：

式(6)中，ε_E,ε_N,ε_U为两套旋转惯导冗余配置下在n系的等效陀螺漂移；

由式(6)可知，RINS1与RINS2的敏感轴陀螺漂移在导航系下表现形式不同，引起姿态误差上存在差异，因此，利用姿态量测上的差异即可分离、并监控两套系统各自的敏感轴陀螺漂移，两套系统加计零偏的监控方法与陀螺漂移原理相同。

3.根据权利要求1所述的基于两套旋转惯导冗余配置下的惯性器件漂移在线监控方法，其特征在于：所述卡尔曼滤波器的构建过程如下：

卡尔曼滤波器中以RINS1、RINS2的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量：

其中，δφ_E,δφ_N,δφ_U分别为RINS1、RINS2的东向平台偏角、北向平台偏角、天向平台偏角之差；δV_E,δV_N,δV_U分别为RINS1、RINS2的东向速度、北向速度、天向速度之差；δλ,δL分别为RINS1、RINS2的经度、纬度之差；ε_x1,ε_y1,ε_z1、ε_x2,ε_y2,ε_z2分别为RINS1、RINS2的敏感轴陀螺漂移，分别为RINS1、RINS2的敏感轴加速度计零偏；

以RINS1、RINS2输出的姿态、速度、位置之差作为观测量：

式(11)中，δθ,δγ,δψ分别为RINS1、RINS2的俯仰角、横滚角、航向角之差；下角标中INS1、INS2分别表示RINS1、RINS2输出的导航信息；

所构建的卡尔曼滤波器中，观测量中的姿态误差角δθ,δγ,δψ与状态量中的平台误差角δφ_E,δφ_N,δφ_U具有如下转换关系：

由此，构建以两套旋转惯导的平台偏角、速度误差、位置误差、惯性器件漂移作为状态量，以两套旋转惯导的姿态、速度、位置之差作为观测量的卡尔曼滤波器，可实现对两套旋转惯导冗余配置下惯性器件漂移的在线监控和估计。