CN110779548B - 一种惯性测量单元偏轴-旋转复合调制误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惯性测量单元偏轴‑旋转复合调制误差补偿方法。利用惯性测量单元偏轴安装后等效轴向误差与原轴向误差的关系，选择合理的偏置角度将惯性测量单元绕某个轴向偏转后进行安装，之后分别绕其中两轴按预定的方案旋转，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿。由于惯性测量单元偏轴安装，新的等效轴向误差包含了原轴向误差与正余弦函数的乘积，可有效地减小误差。惯性测量单元偏轴安装后，再通过双轴旋转将误差调制成周期变化的信号，使误差累积减小发散甚至有效收敛。该发明方法提供了比传统双轴旋转调制效果更好、导航解算精度更高的误差补偿方法。本发明属于惯性导航技术领域，可应用于惯性测量单元的误差补偿、惯性导航解算等。

Description

一种惯性测量单元偏轴-旋转复合调制误差补偿方法
技术领域
本发明涉及一种惯性测量单元偏轴-旋转复合调制误差补偿方法，适用于惯性测量单元误差补偿、惯性导航解算等场合。
技术背景
惯性测量单元误差包含常值误差、标度误差以及惯性器件之间的安装误差等，误差随时间积累会严重影响导航解算精度，最终会影响导航系统的正常使用。因此，减弱惯性测量单元误差对导航解算精度的影响，一直是惯性导航领域研究的重点。而实现惯性测量单元误差自补偿的一个行之有效的方法即是旋转调制。旋转调制技术是将惯性器件安装在转位机构上，控制转位机构使惯性器件绕一个轴或多个轴有规律的旋转，从而将陀螺和加速度计的误差调制为周期变化的信号，以减弱其对导航精度的影响。按照转位机构不同，一般分为单轴旋转系统、双轴旋转系统以及三轴旋转系统。
然而，旋转调制型惯导系统的精度和体积之间不可避免的存在一定的矛盾，相同条件下，旋转的轴数越多误差补偿效果越好，但也带来体积重量越大、技术越复杂等问题。因此，如何在旋转轴数不变的情况下提高旋转调制的误差补偿效果，成为惯性测量单元误差补偿的一个新的研究方向。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对惯性测量单元存在的误差问题，以及传统旋转调制误差补偿方法存在的精度与体积之间的矛盾，提出一种惯性测量单元偏轴-旋转复合调制误差补偿方法。本发明方法通过选择合理的偏置角度将惯性测量单元绕某个轴向偏转后进行安装，之后分别绕其中两轴按预定的方案旋转，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿。该发明在不增加传统双轴旋转调制的体积重量和技术复杂度的基础上，达到了比传统双轴旋转调制效果更好、导航解算精度更高的误差补偿，有效解决了传统旋转调制技术精度和体积之间的矛盾。
本发明的技术解决方案：
通过将惯性测量单元绕某个轴向偏转后进行安装，之后分别绕载体系其中两轴按预定的方案旋转，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿。具体包括以下步骤：
(1)将惯性测量单元坐标系与载体坐标系重合，惯性测量单元绕载体系x轴偏转θ角，以θ作为偏置角度，进行偏轴安装，偏轴安装后惯性测量单元的y轴和z轴陀螺常值误差的组合ε'y、ε'z可以等效为惯性测量单元y轴和z轴陀螺常值误差εy、εz：
Figure BDA0002243173360000021
其中，θ为偏轴安装下的偏置角度，sin为正弦函数，cos为余弦函数；
偏轴安装后惯性测量单元的y轴和z轴陀螺标度误差的组合ΔK'gy、ΔK'gz可以等效为惯性测量单元y轴和z轴陀螺标度误差ΔKgy、ΔKgz：
Figure BDA0002243173360000022
(2)将偏轴安装后的惯性测量单元在载体系xb轴和zb轴两个轴向加入旋转机构，并将旋转机构固连到载体上；
(3)惯性测量单元在偏轴情况下依次进行八次序转位，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿，其转位如下：
(a)惯性测量单元绕载体系zb轴逆时针旋转180°；
(b)惯性测量单元绕载体系xb轴逆时针旋转180°；
(c)惯性测量单元绕载体系zb轴顺时针旋转180°；
(d)惯性测量单元绕载体系xb轴顺时针旋转180°；
(e)惯性测量单元绕载体系xb轴顺时针旋转180°；
(f)惯性测量单元绕载体系zb轴顺时针旋转180°；
(g)惯性测量单元绕载体系xb轴逆时针旋转180°；
(h)惯性测量单元绕载体系zb轴逆时针旋转180°。
本发明的发明原理是：在传统双轴旋转调制基础上，进行偏轴安装后，等效轴向的陀螺常值误差根据原轴向陀螺常值误差的数值、方向以及偏置角度的选择不同，会在一定程度上减小常值误差。等效轴向的标度误差由于包含了原轴向标度误差与正余弦函数的乘积，因此当原轴向标度误差并非大小相等时，可以在一定程度上减小标度误差的影响。通过偏轴安装有效的减小常值误差和标度误差后，再经过双轴旋转将误差调制成周期变化的信号，使误差累积减小发散甚至有效收敛，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿。
本发明的方案与现有方案比，主要优点在于：在不增加传统双轴旋转调制的体积重量和技术复杂度的基础上，减小了传统双轴旋转调制的常值误差和标度误差，达到了比传统双轴旋转调制效果更好、导航解算精度更高的误差补偿，有效解决了传统旋转调制技术精度和体积之间的矛盾。
附图说明
图1具体实施方案图；
图2惯性测量单元单轴偏置双轴旋转安装示意图；
图3未偏置双轴旋转调制水平姿态角误差曲线；
图4未偏置双轴旋转调制航向角误差曲线；
图5未偏置双轴旋转调制速度误差曲线；
图6未偏置双轴旋转调制位置误差曲线；
图7单轴偏置45°双轴旋转调制水平姿态角误差曲线；
图8单轴偏置45°双轴旋转调制航向角误差曲线；
图9单轴偏置45°双轴旋转调制速度误差曲线；
图10单轴偏置45°双轴旋转调制位置误差曲线。
具体实施方案
本发明的具体实施方案如图1所示，惯性测量单元偏轴安装及旋转机构安装如图2所示，其中，xyz系和xbybzb系分别为惯性测量单元坐标系和载体坐标系。具体实施步骤如下：
(1)将惯性测量单元坐标系与载体坐标系重合，惯性测量单元绕载体系x轴偏转θ角，以θ作为偏置角度，进行偏轴安装，θ角根据实际情况进行调节，一般取45°；
(2)将偏轴安装后的惯性测量单元在载体系xb轴和zb轴两个轴向加入旋转机构，并将旋转机构固连到载体上；
(3)惯性测量单元在偏轴情况下依次进行八次序转位，实现常值误差、标度误差和安装误差的补偿，其转位如下：
(a)惯性测量单元绕载体系zb轴逆时针旋转180°；
(b)惯性测量单元绕载体系xb轴逆时针旋转180°；
(c)惯性测量单元绕载体系zb轴顺时针旋转180°；
(d)惯性测量单元绕载体系xb轴顺时针旋转180°；
(e)惯性测量单元绕载体系xb轴顺时针旋转180°；
(f)惯性测量单元绕载体系zb轴顺时针旋转180°；
(g)惯性测量单元绕载体系xb轴逆时针旋转180°；
(h)惯性测量单元绕载体系zb轴逆时针旋转180°。
偏轴安装后惯性测量单元的y轴和z轴陀螺常值误差的组合ε'y、ε'z可以等效为惯性测量单元y轴和z轴陀螺常值误差εy、εz：
Figure BDA0002243173360000041
由公式(3)可知，等效处理后的陀螺常值误差按照经典双轴方案中姿态积累规律影响系统的姿态精度。由于y轴和z轴陀螺常值误差εy、εz的数值是否相等或符号相反，以及偏置角度的选择不同，会在一定程度上减小姿态累积误差，提高姿态解算精度。
偏轴安装后惯性测量单元标度误差矩阵ΔK等效的矩阵ΔK′为：
Figure BDA0002243173360000051
从公式(4)可以看出，对角线上的值分别对应标度误差矩阵ΔK中的ΔKgx、ΔKgy、ΔKgz，即等效y轴和z轴标度误差分别为：
Figure BDA0002243173360000052
等效矩阵中的sinθcosθ(ΔKgy-ΔKgz)也对姿态精度产生影响，但是该份量的影响与双轴旋转系统中安装误差Kgyz与Kgzy的影响类似，双轴旋转系统可以消除正交安装误差的影响。偏轴安装情况下，由于等效标度误差中包含了y轴和z轴标度误差与正余弦函数的乘积，因此当y轴和z轴标度误差并非大小相等时，可以在一定程度上减小标度误差的影响。
为了证明本发明方法的正确性和有效性，将传统的双轴旋转调制方法与本发明方法分别进行误差补偿导航解算仿真。在仿真中，假设陀螺常值误差为0.01°/h，随机误差均值为0.001°/h，加速度计常值误差为100μg，随机误差均值为10μg；假设初始姿态误差角均为0°，初始位置为纬度34.2°，经度为108.8°，且惯导系统无位置运动，不考虑其他惯性器件误差及初始对准误差。假设旋转为匀速旋转，旋转角速度为10°/s，八次序的旋转转位，每个转位完成后静止180s。传统双轴旋转调制导航解算仿真结果的水平姿态角误差、航向角误差、速度误差和位置误差如图3至图6所示，单轴偏置45°双轴旋转调制导航解算仿真结果的水平姿态角误差、航向角误差、速度误差和位置误差如图7至图10所示。其中，图3和图7中φE为东向水平姿态角误差、φN为北向水平姿态角误差，图4和图8中φU为航向角误差，图5和图9中δVE、δVN、δVU分别为东向、北向、天向速度误差，图6和图10中，δL、δλ、δH分别为经度方向、纬度方向、高度方向位置误差。通过对比可知，本发明方法的大部分误差均优于传统的双轴旋转调制方法。
由上述数学仿真试验可知，本发明方法在不增加传统双轴旋转调制的体积重量和技术复杂度的基础上，达到了比传统双轴旋转调制效果更好、导航解算精度更高的误差补偿，为高精度小体积的惯导系统提供了一种较好的新方案。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种惯性测量单元偏轴-旋转复合调制误差补偿方法，其特征在于：将惯性测量单元绕某个轴向偏转后进行安装，之后分别绕载体系其中两轴按八次序方案旋转，实现误差的补偿，具体包括以下步骤：
(1)将惯性测量单元坐标系与载体坐标系重合，惯性测量单元绕载体系x轴偏转θ角，以θ作为偏置角度，进行偏轴安装；
(2)将偏轴安装后的惯性测量单元在载体系xb轴和zb轴两个轴向加入旋转机构，并将旋转机构固连到载体上；
(3)惯性测量单元按偏轴情况下的八次序双轴旋转方案进行旋转；
(4)偏轴安装后惯性测量单元的y轴和z轴陀螺常值误差的组合ε'y、ε'z可以等效为惯性测量单元y轴和z轴陀螺常值误差εy、εz：
Figure FDA0003008658920000011
其中，θ为偏轴安装下的偏置角度，sin为正弦函数，cos为余弦函数，等效处理后的陀螺常值误差按照偏轴情况下的双轴旋转方案中姿态积累规律影响系统的姿态精度，而y轴和z轴陀螺常值误差εy、εz的数值以及偏置角度的选择不同，会在一定程度上减小姿态累积误差，提高姿态解算精度；
(5)偏轴安装后惯性测量单元的y轴和z轴陀螺标度误差的组合ΔK'gy、ΔK'gz可以等效为惯性测量单元y轴和z轴陀螺标度误差ΔKgy、ΔKgz：
Figure FDA0003008658920000012
偏轴安装情况下，等效标度误差由于包含了y轴和z轴标度误差与正余弦函数的乘积，因此当y轴和z轴标度误差并非大小相等时，可以在一定程度上减小标度误差的影响。
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