CN108759863A - 一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法及系统，通过摆放使惯组依次处于六种姿态，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息，利用扩张状态观测器方法或最小二乘多项式拟合方法提取速度误差微分信号的多位置标定算法，计算激光捷联惯组的误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1的估计值并作为标定结果提供给诸元进行装订。该方法在外场没有高精度测试设备条件下，利用系统本身滚动和俯仰变化产生的多个位置粗对准、速度、位置等输出信息实现了对惯组加表零偏、加表标度因数误差和陀螺零偏等激光捷联惯组误差参数进行快速标定，不仅提高了标定效率，并且具有较高的标定精度。

Description

一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法及系统

技术领域

本发明属于激光捷联惯组技术领域，尤其涉及一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法及系统。

背景技术

惯性测量组合(以下简称“惯组”)的仪表测量精度将直接影响系统的导航输出精度，因此改善激光捷联惯组误差参数的标定方法对于提高系统综合性能水平具有十分重要的意义。对于激光捷联惯组来说，加表零偏，加表比例因子误差和陀螺零偏等9个误差参数为其关键误差参数，这些误差参数会随着时间的推移发生变化，针对此问题，以往的做法是定期将激光捷联惯组从载体拆卸下来，并利用高精度测试设备对其进行标定，这样导致了维护成本的增加和完好率的降低。为了减少激光捷联惯组从载体拆卸下来的次数、延长激光捷联惯组的性能保持期，迫切需要有效的外场条件下的激光捷联惯组快速标定方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法及系统，提高了标定效率，并且具有较高的标定精度。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法，所述方法包括如下步骤：(1)使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，在每种姿态下均进行导航计算，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息；(2)根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值；(3)利用步骤(2)得到的M,N的估计值以及等效天向加表零偏、等效北向陀螺零漂计算激光捷联惯组的误差参数的估计值；(4)将步骤(3)得到的激光捷联惯组的误差参数的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，在步骤(1)中，摆放系统使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，姿态1为滚动0°、俯仰0°、偏航0°；姿态2为滚动20°、俯仰0°、偏航0°；姿态3为滚动20°、俯仰90°、偏航0°；姿态4为滚动20°、俯仰-90°、偏航0°；姿态5为滚动70°、俯仰90°、偏航0°；姿态6为滚动70°、俯仰-90°、偏航0°；在每种姿态下均进行导航计算，导航时间为8-10分钟，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息速度输出信息和位置输出信息其中，θ为俯仰角、ψ为偏航角、γ为滚动角；V_E为东向速度、V_N为北向速度、V_U为天向速度；λ为纬度，为经度，h为高度。

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，在步骤(2)中，根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值包括：根据第i个位置的粗对准姿态信息获得M,N的估计值再利用扩张状态观测器方法或最小二乘多项式拟合方法提取第i个位置下天向速度和北向速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和东向速度误差微分信号δV_E(i)的二阶导数，并得到第i个位置下等效天向加表零偏Δ_U(i)等效北向陀螺零漂ε_N(i)的估计值

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，M,N由以下公式得出：

其中，[c_31(i) c_32(i) c_33(i)]和[c_21(i) c_22(i) c_23(i)]分别为第i个位置的[c₃₁ c₃₂ c₃₃]和[c₂₁ c₂₂ c₂₃]，c₃₁＝-sinγcosθ,c₃₂＝sinθ,c₃₃＝cosγcosθ,c₂₁＝cosγsinψ+sinγsinθcosψ，c₂₂＝cosθcosψ,c₂₃＝sinγsinψ-cosγsinθcosψ，g为重力加速度。

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，第i个位置下等效天向加表零偏Δ_U(i)等效北向陀螺零漂ε_N(i)的估计值由以下公式得出：

其中，ω_ie为地球角加速度，R_WE为卯酉圈半径，Δ_U(i)第i个位置下的为等效天向加表零偏，ε_N(i)为第i个位置下的等效北向陀螺零漂。

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，激光捷联惯组的误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1的估计值由以下公式得出：

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，利用扩张状态观测器提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

用二阶ESO提取δV_U(i),δV_N(i)的一阶微分信号：

z₁₂作为或

用三阶ESO提取δV_E(i)的二阶微分信号：

输出z₂₃作为

其中β₁,β₂,β₃为扩张状态观测器的参数。

上述激光捷联惯组误差参数快速标定方法中，所述利用最小二乘多项式拟合方法提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

其中h为速度输出步长，kh为总导航时间，a₁₂,a₂₃,a₃₂分别作为

根据本发明的另一方面，还提供了一种激光捷联惯组误差参数快速标定系统，包括：导航计算模块，用于使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，在每种姿态下均进行导航计算，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息；第一估计值计算模块，用于根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值；第二估计值计算模块，用于根据M,N的估计值以及等效天向加表零偏、等效北向陀螺零漂计算激光捷联惯组的误差参数的估计值；标定模块，用于将步激光捷联惯组的误差参数的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

根据本发明的又一个方面，提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行本发明的一个方面的一个或多个的方法。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过利用扩张状态观测器方法或最小二乘多项式拟合方法提取速度误差微分信号的多位置标定算法，该方法在外场没有高精度测试设备条件下，利用载体本身滚动和俯仰变化产生的多个位置粗对准、速度、位置等输出信息实现了对惯组加表零偏、加表标度因数误差和陀螺零偏等激光捷联惯组误差参数进行快速标定，不仅提高了标定效率，并且具有较高的标定精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的捷联惯组在位置1时的姿态示意图；

图2是本发明实施例提供的捷联惯组在位置2时的姿态示意图；

图3是本发明实施例提供的捷联惯组在位置3时的姿态示意图；

图4是本发明实施例提供的捷联惯组在位置4时的姿态示意图；

图5是本发明实施例提供的捷联惯组在位置5时的姿态示意图；

图6是本发明实施例提供的捷联惯组在位置6时的姿态示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

激光捷联惯组的误差模型为：

陀螺的误差模型：

N_gx＝K_gx·(D_0x+ω_X+E_Yxω_Y+E_Zxω_Z)

N_gy＝K_gy·(D_0y+E_Xyω_X+ω_Y+E_Zyω_Z)

N_gz＝K_gz·(D_0z+E_Xzω_X+E_Yzω_Y+ω_Z)

加表的误差模型：

N_ax＝K_ax·(K_0x+A_X+E_aYxA_Y+E_aZxA_Z)

N_ay＝K_ay·(K_0y+E_aXyA_X+A_Y+E_aZyA_Z)

N_az＝K_az·(K_0z+E_aXzA_X+E_aYzA_Y+A_Z)

表1惯组误差模型系数说明

表2惯组误差模型输入输出说明

表1中激光捷联惯组的加表零偏、标度因数和陀螺零偏等9个误差参数因为惯性仪表属性而具有随时间漂移的特性。本方法就是通过系统本身的滚动和俯仰变化，得到几个位置下激光捷联惯组的导航输出，再利用一定的算法求得上述9个误差参数。

激光捷联惯组多位置标定方法的原理：

符号说明：p：导航系(东北天)；b：机体系(右前上)；坐标系i到坐标系j的变换矩阵；b系相对p系的运动(线运动或角运动)在b系的投影(坐标)；V：速度；P：位置；λ：纬度；经度；h：高度；θ：俯仰角；ψ：偏航角；γ：滚动角；φ：失准角；ω_ie：地速；R_NS,R_WE：地球半径。Δ_i,i＝x,y,z：加表零偏；ε_i,i＝x,y,z：陀螺零偏；δK_pi,i＝x,y,z：加表标度因数误差；a_i,i＝x,y,z：加速度在机体系中的分量；矢量R在b系中i轴上的投影(坐标)；δR：矢量R的误差项

外场条件下激光捷联惯组的加表零偏η_Δ1＝[K_0x K_0y K_0z]^τ、加表比例因子误差η_Δ2＝[δK_ax δK_ay δK_az]^τ和陀螺零偏η_ε1＝[D_0x D_0y D_0z]^τ等9个误差参数的传播方程可用如下非线性动态系统来描述：

其中X＝[δV^τ δP^τ φ^τ]^τ

η＝[(η_Δ1)^τ (η_Δ2)^τ (η_ε1)^τ]^τ，

激光捷联惯组在外场条件下的标定问题本质上为如何设计载体运动u，使得通过观测量y对误差参数η进行估计。

在一个静基座位置上，标定情况对应于u恒为一个常数，则由观测量y可得该位置下的导航速度误差δV^τ和导航位置误差δP^τ，进而可利用如下公式获得该位置下的等效天向加表零偏Δ_U和等效北向陀螺零漂ε_N：

在一个静基座位置上，Δ_U,ε_N与惯组误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1存在如下关系：

其中：

c₃₁＝-sinγcosθ,c₃₂＝sinθ,c₃₃＝cosγcosθ,c₂₁＝cosγsinψ+sinγsinθcosψ,

c₂₂＝cosθcosψ,c₂₃＝sinγsinψ-cosγsinθcosψ.

因为在每个静基座位置上满足的关系式(3)，设计出如下6个位置(如表3和图1-6所示)，使得等式(4)-(5)成立。

表3多位置编排

x_py_pz_p为导航系，x_by_bz_b为机体系。

其中：

[c_31(i) c_32(i) c_33(i)]和[c_21(i) c_22(i) c_23(i)]分别为第i个位置的[c₃₁ c₃₂ c₃₃]和[c₂₁c₂₂ c₂₃]，它们均可用姿态的粗对准值估计，Δ_U(i)和ε_N(i)分别为第i个位置下的Δ_U和ε_N，它们可通过公式(2)获取。

利用(4)式和(5)式可实现外场条件下多位置标定加表零偏、加表比例因子误差和陀螺零偏等9个误差参数。

本实施例提供的激光捷联惯组误差参数快速标定方法的实现步骤如下：

(1)摆放使惯组依次处于六种姿态，姿态1为滚动0°、俯仰0°、偏航0°；姿态2为滚动20°、俯仰0°、偏航0°；姿态3为滚动20°、俯仰90°、偏航0°；姿态4为滚动20°、俯仰-90°、偏航0°；姿态5为滚动70°、俯仰90°、偏航0°；姿态6为滚动70°、俯仰-90°、偏航0°；在每种姿态下均进行导航计算，导航时间为8-10分钟，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息速度输出信息和位置输出信息其中，θ为俯仰角、ψ为偏航角、γ为滚动角；V_E为东向速度、V_N为北向速度、V_U为天向速度；λ为纬度，为经度，h为高度；

(2)设第i个位置的粗对准姿态信息利用获得M,N的估计值i＝1,2,...,6；

其中[c_31(i) c_32(i) c_33(i)]和[c_21(i) c_22(i) c_23(i)]分别为第i个位置的[c₃₁ c₃₂ c₃₃]和[c₂₁ c₂₂ c₂₃]，c₃₁＝-sinγcosθ,c₃₂＝sinθ,c₃₃＝cosγcosθ,c₂₁＝cosγsinψ+sinγsinθcosψ，c₂₂＝cosθcosψ,c₂₃＝sinγsinψ-cosγsinθcosψ，g为重力加速度；

再利用扩张状态观测器方法或最小二乘多项式拟合方法提取第i个位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数，利用公式(1)得到第i个位置下Δ_U(i),ε_N(i)的估计值

ω_ie为地球角加速度，Δ_U(i)和ε_N(i)分别为第i个位置下的Δ_U和ε_N，Δ_U为等效天向加表零偏，ε_N为等效北向陀螺零漂；

(3)利用(2)得到的M,N的估计值以及等效天向加表零偏Δ_U、等效北向陀螺零漂ε_N计算激光捷联惯组的误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1的估计值

(4)将步骤(3)得到的激光捷联惯组的误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

利用扩张状态观测器提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

用二阶ESO提取δV_U(i),δV_N(i)的一阶微分信号：

z₁₂作为或

用三阶ESO提取δV_E(i)的二阶微分信号：

输出z₂₃作为

其中β₁,β₂,β₃为扩张状态观测器的参数。

利用最小二乘多项式拟合方法提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

其中h为速度输出步长，kh为总导航时间，a₁₂,a₂₃,a₃₂分别作为

本实施例的标定精度分析：对于激光捷联惯组(加表零偏精度：1×10^-5g，加表标度因数精度：1×10^-5，陀螺零偏精度：5×10^-3deg/h)的实验结果表明，多位置标定方法的标定精度达到了仪表本身的精度。综上所述，本方法具有不依赖高精度测试设备、不用将惯组从载体拆卸和快速标定等优点，所以可降低系统的维护成本和提高系统的战备率。

本实施例还提供了一种激光捷联惯组误差参数快速标定系统，该系统包括：导航计算模块，用于使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，在每种姿态下均进行导航计算，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息；第一估计值计算模块，用于根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值；第二估计值计算模块，用于根据M,N的估计值以及等效天向加表零偏、等效北向陀螺零漂计算激光捷联惯组的误差参数的估计值；标定模块，用于将步激光捷联惯组的误差参数的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

本实施例还提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行本实施例的一个或多个的方法。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，在每种姿态下均进行导航计算，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息；

(2)根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值，其中M,N为估计时的系数矩阵；

(3)利用步骤(2)得到的M,N的估计值以及等效天向加表零偏、等效北向陀螺零漂计算激光捷联惯组的误差参数的估计值；

(4)将步骤(3)得到的激光捷联惯组的误差参数的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

2.根据权利要求1所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：在步骤(1)中，摆放系统使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，姿态1为滚动0°、俯仰0°、偏航0°；姿态2为滚动20°、俯仰0°、偏航0°；姿态3为滚动20°、俯仰90°、偏航0°；姿态4为滚动20°、俯仰-90°、偏航0°；姿态5为滚动70°、俯仰90°、偏航0°；姿态6为滚动70°、俯仰-90°、偏航0°；在每种姿态下均进行导航计算，导航时间为8-10分钟，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息速度输出信息和位置输出信息其中，θ为俯仰角、ψ为偏航角、γ为滚动角；V_E为东向速度、V_N为北向速度、V_U为天向速度；λ为纬度，为经度，h为高度。

3.根据权利要求2所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：在步骤(2)中，根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值包括：

根据第i个位置的粗对准姿态信息获得M,N的估计值再利用扩张状态观测器方法或最小二乘多项式拟合方法提取第i个位置下天向速度和北向速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和东向速度误差微分信号δV_E(i)的二阶导数，并得到第i个位置下等效天向加表零偏Δ_U(i)等效北向陀螺零漂ε_N(i)的估计值

4.根据权利要求3所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：M,N由以下公式得出：

其中，[c_31(i) c_32(i) c_33(i)]和[c_21(i) c_22(i) c_23(i)]分别为第i个位置的[c₃₁ c₃₂ c₃₃]和[c₂₁ c₂₂ c₂₃]，c₃₁＝-sinγcosθ,c₃₂＝sinθ,c₃₃＝cosγcosθ,c₂₁＝cosγsinψ+sinγsinθcosψ，c₂₂＝cosθcosψ,c₂₃＝sinγsinψ-cosγsinθcosψ，g为重力加速度。

5.根据权利要求3所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：第i个位置下等效天向加表零偏Δ_U(i)等效北向陀螺零漂ε_N(i)的估计值由以下公式得出：

其中，ω_ie为地球角加速度，R_WE为卯酉圈半径，Δ_U(i)第i个位置下的为等效天向加表零偏，ε_N(i)为第i个位置下的等效北向陀螺零漂。

6.根据权利要求5所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：激光捷联惯组的误差参数η_Δ1,η_Δ2,η_ε1的估计值由以下公式得出：

7.根据权利要求3所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：利用扩张状态观测器提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

用二阶ESO提取δV_U(i),δV_N(i)的一阶微分信号：

z₁₂作为或其中e,z₁₁为计算过程中间变量，β₁,β₂为扩张状态观测器的参数；

用三阶ESO提取δV_E(i)的二阶微分信号：

输出z₂₃作为其中e,z₂₁,z₂₂为计算过程中间变量，β₁,β₂,β₃为扩张状态观测器的参数。

8.根据权利要求3所述的激光捷联惯组误差参数快速标定方法，其特征在于：所述利用最小二乘多项式拟合方法提取第i位置下速度误差微分信号δV_U(i),δV_N(i)的一阶导数和δV_E(i)的二阶导数的方法为：

其中h为速度输出步长，kh为总导航时间，a₁₂,a₂₃,a₃₂分别作为

9.一种激光捷联惯组误差参数快速标定系统，其特征在于包括：

导航计算模块，用于使得激光捷联惯组姿态依次处于六种姿态，在每种姿态下均进行导航计算，记录六种姿态导航过程中的粗对准姿态信息、速度输出信息和位置输出信息；

第一估计值计算模块，用于根据粗对准姿态信息获得M,N的估计值，并得到等效天向加表零偏和等效北向陀螺零漂的估计值；

第二估计值计算模块，用于根据M,N的估计值以及等效天向加表零偏、等效北向陀螺零漂计算激光捷联惯组的误差参数的估计值；

标定模块，用于将步激光捷联惯组的误差参数的估计值作为标定结果提供给诸元进行装订，完成对激光捷联惯组误差参数的快速标定。

10.一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行如权利要求1-8中的一个或多个的方法。