CN108981751A - 一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，利用系统的双轴配置结构，通过设置陀螺仪的倾斜角位置，降低系统器件误差估计精度对转轴精度的依赖程度，进而实现双轴惯导系统的高精度在线自标定，同时具有可估计陀螺仪与g有关项误差的优势。

Description

一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，尤其是涉及一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法。

背景技术

双轴旋转惯导是近几年在国内兴起的导航技术。由于激光陀螺技术的成熟和广泛应用，光纤陀螺性能的不断改进，使得光学陀螺仪可以使用调制技术。该项技术在系统层面上极大的减小了惯性器件自身的常值随机漂移，非对称性标度因数误差和安装误差等对系统精度的影响。相比纯捷联式惯导，调制型惯导的长航时定位精度提高显著。然而在样机研制过程中，暴露出在理论上需要继续解决的两个关键问题：一个是减小系统姿态精度的误差，一个是提高系统动态精度。在线自标定技术通过利用系统自身的双轴配置结构，通过对陀螺仪垂向对称位置的转位方案实现器件误差及其安装误差的标定，然而，现有标定方法确面临对转位机构精度依赖较高的问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法。

本发明的主要内容包括：

一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，包括如下步骤：

步骤1：双轴旋转惯导系统处于静止状态，开机预热陀螺仪和加速度组件，装订初始位置参数，并进行初始对准；

步骤2：对准结束后开始导航，按照设计八位置转停方案，记录观测信息；

步骤3：建立双轴旋转惯导系统导航误差方程和器件误差模型；

步骤4：利用步骤2记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计需要标定的误差参数；

且，步骤3中，导航误差方程为：

其中，n,b,i,e分别表示导航坐标系、载体坐标系、惯性坐标系和地球坐标系；各向量的上标代表向量投影所在的坐标系；δvⁿ,δrⁿ分别是基于角的姿态误差、速度误差和位置误差；fⁿ是加速度计组件测量到的力矢量；ω是陀螺仪组件测量到的角速度矢量；δω是角速度误差；×表明两个向量的叉乘；是b系到n系的方向余弦矩阵；ε^b是陀螺仪漂移误差向量，是加速度计漂移误差向量；

器件误差模型，包括陀螺仪输出误差公式以及加速度计输出误差公式；陀螺仪输出误差表示为：

其中，b_g为陀螺仪的常值偏置，K_g为陀螺仪与g有关偏置矩阵；S_g为陀螺仪的比例因数误差矩阵；为陀螺仪的失准误差矩阵；为陀螺仪组件敏感到的输入角速度；f^b为比力信息在载体坐标系下的投影；v_g为量测噪声；而所述陀螺仪与g有关偏置矩阵K_g为3×3的对角阵，可以表示为：K_g＝diag(K_gx，K_gy，K_gz)；陀螺仪的比例因数误差矩阵为3×3的对角阵，可以表示为：S_g＝diag(S_gx，S_gy，S_gz)；所述陀螺仪的失准误差矩阵可以表示为：

而加速度计输出误差表示为：

其中，b_a为加速度计的常值偏置；S_a为加速度计的比例因数误差矩阵；为加速度计的失准误差矩阵；f^a为加速度计组件敏感到的比力；v^a为量测噪声；加速度计的比例因数误差矩阵表示为：S_a＝diag(S_ax，S_ay，S_az)；加速度计的失准误差矩阵可以表示为：

优选的，步骤2中所述的八位置转停方案是指将陀螺仪按照以下方位顺序依次转动，不间断采集数据，且每个方位停留1分钟，各方位的状态如下：

第一方位：陀螺仪的X测量轴指向“南”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“天”；

第二方位：陀螺仪的X测量轴指向“地”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“南”；

第三方位：陀螺仪的X测量轴指向“天”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“北”；

第四方位：陀螺仪的X测量轴指向“西”，Y测量轴指向“天”，Z测量轴指向“北”；

第五方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“地”，Z测量轴指向“北”；

第六方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“地”；

第七方位：陀螺仪呈45度斜置；

第八方位：陀螺仪呈225度斜置；

其中，所述第七方位由陀螺仪零位绕X轴转动-45°，绕Y轴转动45°得到；所述第八方位由陀螺仪零位绕X轴转动135°，绕Y轴转动-45°；所述陀螺仪零位的状态为：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“天”。

优选的，步骤4具体包括如下步骤：

步骤41：利用步骤2中陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺仪和加速度计的比例因数和失准角误差；

步骤42：利用步骤2中陀螺仪处于第七方位和第八方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺与g有关偏置误差；

步骤43：利用步骤2中陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺仪和加速度计的常值偏移；

其中，卡尔曼滤波状态方程表示为：F是系统矩阵，ω为高斯白噪声误差，且均值为0；X为误差状态向量，且X＝[X_a X_f]^T，X_f为系统动态误差向量，可以表示为：而步骤41中，

X_a＝[S_ax S_ay S_az S_gx S_gy S_gz β_yz β_zy β_zx η_xz η_xy η_yz η_yx η_zy η_zx]^T；

步骤42中，X_a＝[K_gx K_gy K_gz]^T；步骤43中，X_a＝[b_gx b_gy b_gz b_ax b_ay b_az]^T。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，利用系统的双轴配置结构，通过设置陀螺仪的倾斜角位置，降低系统器件误差估计精度对转轴精度的依赖程度，进而实现双轴惯导系统的高精度在线自标定，同时具有可估计陀螺仪与g有关项误差的优势。

附图说明

图1为本发明的八位置转停方案示意图；

图2为本发明八位置标定方法与传统六位置标定方法导航纬度误差对比曲线图；

图3为本发明八位置标定方法与传统六位置标定方法导航经度误差对比曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所保护的技术方案做具体说明。

请参照图1至图3。本发明提出了一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，具体包括如下步骤：

首先，双轴旋转惯导系统处于静止状态，开机预热陀螺仪组件和加速度计组件，并装载初始位置参数，该初始位置参数包括地理坐标系内的经度和纬度；然后进行初始对准。

在本实施例中，初始位置参数选择为东经116度，北纬39度，并按照常规捷联管道的对准方案进行初始对准。

其次，初始对准结束后开始导航，并记录导航误差数据；本发明提出了一种八位置转停方案，即按照八位置转位次序依次控制系统转轴位置，在本实施例中，每个位置均停留1分钟，且在转动和停止期间均不间断的采集数据，记录观测信息，最后控制转轴回到原位置；请结合图1，所述八位置的转位次序如下：

第一方位：陀螺仪的X测量轴指向“南”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“天”；

第二方位：陀螺仪的X测量轴指向“地”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“南”；

第三方位：陀螺仪的X测量轴指向“天”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“北”；

第四方位：陀螺仪的X测量轴指向“西”，Y测量轴指向“天”，Z测量轴指向“北”；

第五方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“地”，Z测量轴指向“北”；

第六方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“地”

第七方位：陀螺仪呈45度斜置；

第八方位：陀螺仪呈225度斜置。

其中，ω为陀螺仪组件测量到的角速度矢量，所述第七方位由陀螺仪零位绕X轴转动-45°，绕Y轴转动45°得到；所述第八方位由陀螺仪零位绕X轴转动135°，绕Y轴转动-45°；所述陀螺仪零位的状态为：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“天”。

然后，建立双轴旋转惯导系统导航误差方程和器件误差模型；其中，导航误差方程为：

其中，n,b,i,e分别表示导航坐标系、载体坐标系、惯性坐标系和地球坐标系；各向量的上标代表向量投影所在的坐标系；δvⁿ,δrⁿ分别是基于角的姿态误差、速度误差和位置误差；fⁿ是加速度计组件测量到的力矢量；ω是陀螺仪组件测量到的角速度矢量；δω是角速度误差；×表明两个向量的叉乘；是b系到n系的方向余弦矩阵；ε^b是陀螺仪漂移误差向量，是加速度计漂移误差向量；

器件误差模型，包括陀螺仪输出误差公式以及加速度计输出误差公式；陀螺仪输出误差表示为：

其中，b_g为陀螺仪的常值偏置，K_g为陀螺仪与g有关偏置矩阵；S_g为陀螺仪的比例因数误差矩阵；为陀螺仪的失准误差矩阵；为陀螺仪组件敏感到的输入角速度；f^b为比力信息在载体坐标系下的投影；v_g为量测噪声；而所述陀螺仪与g有关偏置矩阵K_g为3×3的对角阵，可以表示为：K_g＝diag(K_gx，K_gy，K_gz)；陀螺仪的比例因数误差矩阵为3×3的对角阵，可以表示为：S_g＝diag(S_gx，S_gy，S_gz)；所述陀螺仪的失准误差矩阵可以表示为：

而加速度计输出误差表示为：

其中，b_a为加速度计的常值偏置；S_a为加速度计的比例因数误差矩阵；为加速度计的失准误差矩阵；f^a为加速度计组件敏感到的比力；v^a为量测噪声；加速度计的比例因数误差矩阵表示为：S_a＝diag(S_ax，S_ay，S_az)；加速度计的失准误差矩阵可以表示为：

最后，分别选择八位置转停方案中的不同方位下得到的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺仪和加速度计的比例因数和和失准角误差、陀螺与g有关偏置误差以及陀螺仪和加速度计的常值偏移；具体地，利用陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，估计陀螺仪和加速度计的比例因数和和失准角误差；利用陀螺仪处于第七方位和第八方位时记录的观测信息，估计陀螺与g有关偏置误差；利用陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，估计陀螺仪和加速度计的常值偏移。

其中，卡尔曼滤波状态方程表示为：F是系统矩阵，ω为高斯白噪声误差，且均值为0；X为误差状态向量，且X＝[X_a X_f]^T，X_f为系统动态误差向量，可以表示为：而步骤41中，

X_a＝[S_ax S_ay S_az S_gx S_gy S_gz β_yz β_zy β_zx η_xz η_xy η_yz η_yx η_zy η_zx]^T；

步骤42中，X_a＝[K_gx K_gy K_gz]^T；步骤43中，X_a＝[b_gx b_gy b_gz b_ax b_ay b_az]^T。

图2和图3给出了本发明八位置自标定方法与传统六位置自标定方法经纬度误差比较图；由图2和图3可知，使用本发明的八位置自标定方法，5天时系统的经度误差和纬度误差都在一个小角度范围内(小于1′)。用六位置法标定时，经度误差随着时间很快增长，纬度误差变化不大。和六位置标定的情况相比，八位置自标定可以提高40％左右的位置精度。因此，对于双轴旋转惯导而言，陀螺仪的与g有关偏置的标定需要高精度的位置精度才能保证八位置自标定法的精度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：双轴旋转惯导系统处于静止状态，开机预热陀螺仪和加速度组件，装订初始位置参数，并进行初始对准；

步骤2：对准结束后开始导航，按照设计八位置转停方案，记录观测信息；

步骤3：建立双轴旋转惯导系统导航误差方程和器件误差模型；

步骤4：利用步骤2记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计需要标定的误差参数；

且，步骤3中，导航误差方程为：

其中，n,b,i,e分别表示导航坐标系、载体坐标系、惯性坐标系和地球坐标系；各向量的上标代表向量投影所在的坐标系；δvⁿ,δrⁿ分别是基于角的姿态误差、速度误差和位置误差；fⁿ是加速度计组件测量到的力矢量；ω是陀螺仪组件测量到的角速度矢量；δω是角速度误差；×表明两个向量的叉乘；是b系到n系的方向余弦矩阵；ε^b是陀螺仪漂移误差向量，是加速度计漂移误差向量；

器件误差模型，包括陀螺仪输出误差公式以及加速度计输出误差公式；陀螺仪输出误差表示为：

其中，b_g为陀螺仪的常值偏置，K_g为陀螺仪与g有关偏置矩阵；S_g为陀螺仪的比例因数误差矩阵；为陀螺仪的失准误差矩阵；为陀螺仪组件敏感到的输入角速度；f^b为比力信息在载体坐标系下的投影；v_g为量测噪声；而所述陀螺仪与g有关偏置矩阵K_g为3×3的对角阵，可以表示为：K_g＝diag(K_gx，K_gy，K_gz)；陀螺仪的比例因数误差矩阵为3×3的对角阵，可以表示为：S_g＝diag(S_gx，S_gy，S_gz)；所述陀螺仪的失准误差矩阵可以表示为：

而加速度计输出误差表示为：

其中，b_a为加速度计的常值偏置；S_a为加速度计的比例因数误差矩阵；为加速度计的失准误差矩阵；f^a为加速度计组件敏感到的比力；v^a为量测噪声；加速度计的比例因数误差矩阵表示为：S_a＝diag(S_ax，S_ay，S_az)；加速度计的失准误差矩阵可以表示为：

2.根据权利要求1所述的一种双轴旋转惯导系统的八位置在线自标定方法，其特征在于，步骤2中所述的八位置转停方案是指将陀螺仪按照以下方位顺序依次转动，不间断采集数据，且每个方位停留1分钟，各方位的状态如下：

第一方位：陀螺仪的X测量轴指向“南”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“天”；

第二方位：陀螺仪的X测量轴指向“地”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“南”；

第三方位：陀螺仪的X测量轴指向“天”，Y测量轴指向“东”，Z测量轴指向“北”；

第四方位：陀螺仪的X测量轴指向“西”，Y测量轴指向“天”，Z测量轴指向“北”；

第五方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“地”，Z测量轴指向“北”；

第六方位：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“地”；

第七方位：陀螺仪呈45度斜置；

第八方位：陀螺仪呈225度斜置；

其中，所述第七方位由陀螺仪零位绕X轴转动-45°，绕Y轴转动45°得到；所述第八方位由陀螺仪零位绕X轴转动135°，绕Y轴转动-45°；所述陀螺仪零位的状态为：陀螺仪的X测量轴指向“东”，Y测量轴指向“北”，Z测量轴指向“天”。

3.根据权利要求2所述的一种双轴旋转惯导系统，其特征在于，步骤4具体包括如下步骤：

步骤41：利用步骤2中陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺仪和加速度计的比例因数和失准角误差；

步骤42：利用步骤2中陀螺仪处于第七方位和第八方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺与g有关偏置误差；

步骤43：利用步骤2中陀螺仪处于第一方位至第六方位时记录的观测信息，采用卡尔曼滤波方法估计陀螺仪和加速度计的常值偏移；

其中，卡尔曼滤波状态方程表示为：F是系统矩阵，ω为高斯白噪声误差，且均值为0；X为误差状态向量，且X＝[X_a X_f]^T，X_f为系统动态误差向量，可以表示为：而步骤41中，

X_a＝[S_ax S_ay S_az S_gx S_gy S_gz β_yz β_zy β_zx η_xz η_xy η_yz η_yx η_zy η_zx]^T；

步骤42中，X_a＝[K_gx K_gy K_gz]^T；步骤43中，X_a＝[b_gx b_gy b_gz b_ax b_ay b_az]^T。