CN109752000A - 一种mems双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，属于导航领域。本发明涉及的是一种在摇摆基座条件下，MEMS自主式的初始对准方法。在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，以双轴旋转调制型捷联惯导为基础，设计了适用于MEMS的双轴旋转调制捷联罗经初始对准方法，来解决MEMS在摇摆基座条件下的自主对准问题。将双轴旋转调制技术和捷联罗经初始对准技术结合起来，即可在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，采用捷联罗经对准的初始对准方法，完成MEMS摇摆基座下的自主初始对准，并达到MEMS初始对准精度要求。

Description

一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法

技术领域

本发明涉及的是一种在摇摆基座条件下，MEMS自主式的初始对准方法，属于导航领域。

背景技术

初始对准技术是惯性导航系统进入导航的前提，其目的是为惯性导航系统提供准确的初始姿态信息，为惯导系统的惯导解算提供初始条件。惯性器件的精度是影响惯性导航系统成本的主要因素，选用MEMS作为惯性导航系统的惯性器件可以大大降低惯性导航系统的成本。但低成本的MEMS惯性器件陀螺漂移较大，不能感受到地球自转角速度，因此传统的自主初始对准方法不适用于MEMS摇摆基座下的自主初始对准。而采用MEMS双轴旋转调制技术可以很大程度上抑制MEMS陀螺仪的常值漂移对初始对准精度的影响。在此基础上，为了不依靠磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息完成MEMS摇摆基座下的自主式初始对准，使用罗经对准的初始对准方法可以完成MEMS的初始对准并达到一定的精度要求。

发明内容

本发明的目的在于：解决在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，MEMS摇摆基座下能够自主完成初始对准的技术问题。

本发明在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，以双轴旋转调制型捷联惯导为基础，设计了适用于MEMS的双轴旋转调制捷联罗经初始对准方法，来解决MEMS在摇摆基座条件下的自主对准问题，从而有效地确定了MEMS捷联惯性导航系统进行惯导解算的初始条件。

本发明提供了一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，包括以下步骤：

步骤一：采集MEMS陀螺仪和加速度计数据；

步骤二：数学建模、标定技术、温度补偿技术等进行MEMS误差补偿；

步骤三：设计适用于MEMS的双轴旋转调制捷联惯性导航系统；

步骤四：设计适用于MEMS的双轴旋转调制型捷联罗经初始对准算法。

本发明还进一步包括：

步骤一和步骤二具体过程为：

本发明中用到的MEMS陀螺仪和加速度计的数据，需要对其进行数学建模和误差补偿。误差补偿后的MEMS陀螺仪和加速度计的数据分别如附图1和附图2所示。

步骤二具体过程为：

在捷联惯性导航系统中，增加了转位机构和转位角度测量装置，IMU与可绕载体坐标系周期性旋转的转位机构固连。转位机构带动IMU周期性转动，将惯性器件常值误差调制成周期性变化的形式，消除其对捷联惯性导航系统导航精度的影响。本发明的研究对象是旋转轴与天向陀螺敏感轴和北向陀螺敏感轴重合的双轴旋转调制型捷联惯性导航系统，采取的旋转方案是16次序的对称双轴旋转方案。双轴旋转调制方案示意图如附图3所示。

附图4给出了16次序的双轴转动方案的转动过程图。附图5给出了16次序的双轴转动方案的转动过程简图。下面给出16次序双轴转动方案的旋转调制原理。

以陀螺仪为例，一个双轴旋转调制周期内的A、B、C、D4个固定位置上，3个陀螺仪常值漂移在载体系上引起的姿态角误差必然满足：

其中，每个固定位置的停顿时间均为T_s。

以陀螺仪的其中一个转动周期为例，次序1、3、6、8构成的转动周期内，x、y轴的陀螺仪漂移在载体坐标系平面内呈现出正反各一周的变化规律。在上述的4个转换次序中，陀螺仪漂移在载体系x_b轴的投影在每个转动过程中经过积分作用后为：

同理，可以得到陀螺仪漂移在载体系y_b轴的投影在每个转动过程中经过积分作用后为：

因此整周期的积分过程中陀螺仪产生的常值偏差为0，即：

其中，每个转动过程的时间均为T_z。

双轴旋转调制方案采用的是IMU的间歇性转停方案。根据上述的计算过程可以得到，IMU静止和转动时，陀螺仪和加速度计三个敏感轴方向的常值偏差，在一个完整的旋转调制周期内积分后结果为零，因此该误差项不再对系统的导航精度产生影响，达到提高导航系统导航精度的目的。

双轴旋转调制方案包括16个转动过程，16个停止过程，他们对应的IMU旋转坐标系与载体坐标系的转换矩阵也不同。以16次序旋转方案的其中第一个转动次序为例，假设初始时刻IMU旋转坐标系与载体坐标系重合，IMU旋转坐标系以角速度ω绕天向轴转动，则t时刻后两者之间的夹角为ωt，他们之间的转换矩阵为：

转动起始时刻坐标系位置关系为：

陀螺仪和加速度计敏感到的是角速度和比力信息在IMU旋转坐标系中的分量，在导航解算时，要将其转换到载体坐标系下解算，相当于对测量结果增加了一次坐标变换。将陀螺仪和加速度计的测量值由r系转换到b系：

IMU旋转坐标系下陀螺和加速度计的量测信息可表示为：

式中，分别表示载体真实运动角速度和比力信息，ε_x、ε_y和ε_z表示陀螺仪输出误差，和表示加速度计输出误差，其中为转台的旋转角速度矢量，

步骤三具体过程为：

为了使MEMS在摇摆基座下自主地完成初始对准，本发明在双轴旋转调制型捷联惯导的基础上，设计出适用于MEMS的双轴旋转调制捷联罗经初始对准的方法。

根据附图6，可以得到捷联罗经水平对准东向通道有以下控制规律：

假设捷联数学平台的更新时间为T_s，实际中对准回路的时间参数T_d一般远远大于T_s，所以可以直接用一阶差分近似代替微分，将上述控制方程离散化为

式中k＝1,2,3...。

同理捷联罗经对准北向通道控制方程离散化后为：

式中k＝1,2,3...。

以东向对准通道为例，捷联罗经水平对准通道调节参数取值如下：

式中σ、ξ和分别称为衰减系数、阻尼比和舒拉频率，选择阻尼比

根据附图7，捷联罗经方位对准控制方程离散化后为：

式中k＝1,2,3...。

捷联罗经方位对准通道调节参数取值如下：

根据对准的精确性和快速性，并结合MEMS的噪声特性，调整衰减系数σ。并且设计的适用于MEMS双轴旋转调制捷联罗经对准的水平通道的衰减系数比方位通道的衰减系数要大。

此外，将捷联数学平台也按更新周期T_s离散化，如下式所示：

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的方法在双轴旋转调制捷联惯导的基础上，设计了适用于MEMS的捷联罗经初始对准方法。通过双轴旋转调制技术抑制了惯性器件常值误差造成的对准误差，MEMS可以在脱离磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，完成摇摆基座下的自主初始对准。

附图说明

图1为MEMS三轴陀螺仪输出；

图2为MEMS三轴加表输出；

图3为双轴旋转调制方案示意图；

图4为16次序双轴转动方案转动过程图；

图5为16次序双轴转动方案转动过程简图；

图6为捷联罗经水平对准东向通道原理图；

图7为捷联罗经方位对准原理图；

图8为MEMS双轴旋转调制捷联罗经初始对准误差角曲线图；

图9为50次MEMS双轴旋转调制捷联罗经初始对准误差角误差曲线图；

图10整体设计流程。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图9，在本发明中，首先在转位机构零位进行数学建模、标定技术、温度补偿技术等惯性器件误差抑制，并采集MEMS陀螺仪和加速度计的数据，然后采用双轴旋转调制技术将MEMS陀螺仪和加速度计的常值误差调制成周期性变化的形式，抑制MEMS常值误差对初始对准精度的不利影响，最后，在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，采用捷联罗经对准的初始对准方法，完成MEMS摇摆基座下的自主初始对准，并达到MEMS初始对准精度要求。本发明的具体实施步骤如下：

步骤一：MEMS数据采集。

步骤二：数学建模、标定技术、温度补偿技术等进行MEMS误差补偿。

在转位机构零位进行数学建模、标定技术、温度补偿技术等惯性器件误差抑制，并采集MEMS数据。

步骤三：适用于MEMS的双轴旋转调制算法设计。

在惯性导航系统中，采用双轴旋转调制技术可将惯性器件常值误差调制成周期性变化的形式，消除其对初始对准精度的影响。本发明的研究对象是适用于MEMS的双轴旋转调制捷联惯导系统，采取的旋转方案是16次序转停方案。

步骤四：适用于MEMS的双轴旋转调制捷联罗经对准算法设计。

捷联罗经初始对准分为以下四个阶段：

阶段(1)：方位角未知情况下水平对准：在方位角未知情况下，将它的初始值设为零，两个水平姿态角初始值也设为零。先初始化捷联矩阵，然后由捷联罗经水平对准通道构成水平对准方案。

阶段(2)：粗略方位自对准：经过第(1)步后，可以求得比较精确的惯导系统俯仰角和横滚角，能够达到水平姿态误差比较小的要求，而应假设方位误差为大误差角。根据罗经效应，实现捷联罗经的粗略方位自对准获得粗略姿态矩阵。

阶段(3)：重新水平对准：在阶段(1)中完成水平对准的数学平台，水平姿态误差比较小，但经过粗略方位自对准阶段(2)后，数学平台中的水平误差角有可能变大了，因此必须重新再进行一次水平对准，这次水平对准是在方位误差不大的条件下进行的，有别于阶段(1)，这一步骤为后续罗经方位对准奠定基础。

阶段(4)：罗经方位对准：具备粗略方位和精确水平对准后，同时实施水平对准和罗经方位对准原理图的算法，在保证水平对准精度的条件下进行罗经方位对准，达到罗经方位对准的目标。

本发明的捷联罗经对准算法是在双轴旋转调制捷联惯导的基础上进行的，并且设计出适用于MEMS双轴旋转调制捷联罗经对准的捷联罗经参数。

实施例：

为了使仿真环境接近实际环境，本发明的半物理仿真条件如下：陀螺仪和加速度计经过数学建模、标定技术、温度补偿技术等误差补偿技术后输出，仿真时长1h；转位机构两个轴的旋转角速度均为15°/s，每个位置转动过程时间为12s，每个位置停顿过程时间为60s；船舶初始位置信息设置为：纬度45.7796°N，经度126.6705°E；船舶初始姿态角设置为：俯仰角10°、横滚角10°、航向角30°；船舶摇摆设置为如下正弦函数：

上式中pitch、roll和yaw分别表示船舶摇摆的俯仰角、横滚角和航向角；姿态角摇摆幅度pitch_m、roll_m和yaw_m分别设置为5°、5°和5°；姿态角摇摆周期T_p、T_r和T_y分别设置为10s、10s和10s；姿态角摇摆初始相位和分别设置为随机值。

附图8附图9和的半物理仿真结果可以得到如下结论：

由附图8仿真结果可以看出：俯仰角对准误差为-0.09425°，横滚角对准误差为-0.1244°，航向角对准误差为-0.1282°。

为了避免偶然性，同条件下进行了50次仿真验证，由附图9仿真结果可以看出：俯仰角对准精度平均值为-0.1004°，最大值为-0.0912°，最小值为-0.1082°；横滚角对准精度平均值为-0.1279°，最大值为-0.1211°，最小值为-0.1324°；航向角对准精度平均值为-0.1630°，最大值为0.3395°，最小值为-0.6365°。50次对准误差没有大幅波动，满足MEMS初始对准的精度要求。

将双轴旋转调制技术和捷联罗经初始对准技术结合起来，即可在没有磁强计、GPS信息和多普勒计程仪等外界辅助导航信息的条件下，采用捷联罗经对准的初始对准方法，完成MEMS摇摆基座下的自主初始对准，并达到MEMS初始对准精度要求。

Claims (4)

1.一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：采集MEMS陀螺仪和加速度计数据；

步骤二：数学建模、标定技术、温度补偿技术等进行MEMS误差补偿；

步骤三：设计适用于MEMS的双轴旋转调制捷联惯性导航系统；

步骤四：设计适用于MEMS的双轴旋转调制型捷联罗经初始对准算法。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，其特征在于：步骤二具体过程为：

在捷联惯性导航系统中，增加了转位机构和转位角度测量装置，IMU与可绕载体坐标系周期性旋转的转位机构固连，转位机构带动IMU周期性转动，采取的旋转方案是16次序的对称双轴旋转方案；

16次序双轴转动方案的旋转调制原理如下：

一个双轴旋转调制周期内的A、B、C、D四个固定位置上，3个陀螺仪常值漂移在载体系上引起的姿态角误差必然满足：

其中，每个固定位置的停顿时间均为T_s；

次序1、3、6、8构成的转动周期内，x、y轴的陀螺仪漂移在载体坐标系平面内呈现出正反各一周的变化规律，在上述的4个转换次序中，陀螺仪漂移在载体系x_b轴的投影在每个转动过程中经过积分作用后为：

同理，可以得到陀螺仪漂移在载体系y_b轴的投影在每个转动过程中经过积分作用后为：

因此整周期的积分过程中陀螺仪产生的常值偏差为0，即：

其中，每个转动过程的时间均为T_z；

双轴旋转调制方案采用的是IMU的间歇性转停方案，根据上述的计算过程可以得到，IMU静止和转动时，陀螺仪和加速度计三个敏感轴方向的常值偏差，在一个完整的旋转调制周期内积分后结果为零；

双轴旋转调制方案包括16个转动过程，16个停止过程，他们对应的IMU旋转坐标系与载体坐标系的转换矩阵也不同，以16次序旋转方案的其中第一个转动次序进行计算，假设初始时刻IMU旋转坐标系与载体坐标系重合，IMU旋转坐标系以角速度ω绕天向轴转动，则t时刻后两者之间的夹角为ωt，他们之间的转换矩阵为：

转动起始时刻坐标系位置关系为：

陀螺仪和加速度计敏感到的是角速度和比力信息在IMU旋转坐标系中的分量，在导航解算时，要将其转换到载体坐标系下解算，相当于对测量结果增加了一次坐标变换，将陀螺仪和加速度计的测量值由r系转换到b系：

IMU旋转坐标系下陀螺和加速度计的量测信息可表示为：

式中，分别表示载体真实运动角速度和比力信息，ε_x、ε_y和ε_z表示陀螺仪输出误差，和表示加速度计输出误差，其中为转台的旋转角速度矢量，

3.根据权利要求1所述的一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，其特征在于：步骤三具体过程为：

为了使MEMS在摇摆基座下自主地完成初始对准，采用方法如下：

捷联罗经水平对准东向通道有以下控制规律：

假设捷联数学平台的更新时间为T_s，实际中对准回路的时间参数T_d一般远远大于T_s，所以可以直接用一阶差分近似代替微分，将上述控制方程离散化为

式中k＝1,2,3...；

同理捷联罗经对准北向通道控制方程离散化后为：

式中k＝1,2,3...；

以东向对准通道进行计算，捷联罗经水平对准通道调节参数取值如下：

式中σ、ξ和分别称为衰减系数、阻尼比和舒拉频率，选择阻尼比

捷联罗经方位对准控制方程离散化后为：

式中k＝1,2,3...；

捷联罗经方位对准通道调节参数取值如下：

根据对准的精确性和快速性，并结合MEMS的噪声特性，调整衰减系数σ，并且设计的适用于MEMS双轴旋转调制捷联罗经对准的水平通道的衰减系数比方位通道的衰减系数要大，

将捷联数学平台也按更新周期T_s离散化，如下式所示：

4.根据权利要求1所述的一种MEMS双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法，其特征在于：步骤四所述的捷联罗经初始对准分为以下四个阶段：阶段(1)：方位角未知情况下水平对准：在方位角未知情况下，将它的初始值设为零，两个水平姿态角初始值也设为零，先初始化捷联矩阵，然后由捷联罗经水平对准通道构成水平对准方案；

阶段(2)：粗略方位自对准：经过第(1)步后，可以求得比较精确的惯导系统俯仰角和横滚角，能够达到水平姿态误差比较小的要求，而应假设方位误差为大误差角，根据罗经效应，实现捷联罗经的粗略方位自对准获得粗略姿态矩阵；

阶段(3)：重新水平对准：在阶段(1)中完成水平对准的数学平台，水平姿态误差比较小，但经过粗略方位自对准阶段(2)后，数学平台中的水平误差角有可能变大了，因此必须重新再进行一次水平对准，这次水平对准是在方位误差不大的条件下进行的，有别于阶段(1)，这一步骤为后续罗经方位对准奠定基础；

阶段(4)：罗经方位对准：具备粗略方位和精确水平对准后，同时实施水平对准和罗经方位对准原理图的算法，在保证水平对准精度的条件下进行罗经方位对准，达到罗经方位对准的目标。