CN110967039A - 一种石英挠性加速度计误差测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英挠性加速度计误差测量系统及其测量方法，所述石英挠性加速度计误差测量系统主要包括捷联惯性导航系统、全光纤加速度测量系统和卡尔曼滤波器。采用惯性/加速度测量仪组合导航的方法测量加速度误差，通过卡尔曼滤波器估算惯性/加速度测量仪器组合中挠性加速度计车载动态环境下误差大小，弥补当前采用实验室多位置法里程计组合导航法标定测试的不足。本发明结构简单，性能稳定，可以提高石英挠性加速度计误差测量精度。

Description

一种石英挠性加速度计误差测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及加速度计误差测量领域，具体为一种测试石英挠性加速度计误差的方法。

背景技术

石英挠性加速度计是一种属于闭环式挠性机械摆式单自由度加速度计。迄今为止，石英挠性加速度计已广泛应用在各种导航、制导与控制系统中。在实际应用中，石英挠性加速度计的加速度测量值中存在着由于各种内部及外部因素产生的误差。

石英挠性加速度计误差测试方法多采用实验室多位置法标定，其次采用里程计组合导航法，相比于多位置标定法，全光纤加速度测量仪测试石英挠性加速度计误差具有全自主、精度高的优势；相比于里程计组合导航法，全光纤加速度测量仪测试石英挠性加速度计误差具有精度高的优势。捷联惯导是一种积分系统，其导航误差会随导航时间而逐渐累积，传统的加速度计误差测试方法对高瞬态加速度测量存在精度差、距离短、范围窄等缺陷，所以这些方法加速度较大的场合使用。

授权公告号为CN101377422B的发明专利公开了一种挠性陀螺仪静态漂移误差模型最优二十四位置标定方法，由高精度三轴转台提供基准及系统输入，利用惯性传感器输出与转台输出之间的关系来确定惯性传感器的误差系数，但只能依靠重力场作为环境过载激励，不能得到环境因素的动态变化对石英挠性加速度计的影响。授权公告号CN104977004A的发明专利公开了一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统，将里程计固定安装在车体上，与车辆的变速轴连接，通过转轴的转动传递至里程计周期转动，测出石英惯性导航系统与里程计二则输出速度，经过滤波计算,估计各误差量；里程计虽能够精确测量车辆的速度,但里程计刻度因子的变化较大,严重制约其测速精度,在每次使用过程中必须进行实时标校。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术存在的问题而提供一种测试石英挠性加速度计误差的方法，该方法结构简单，性能稳定，可以提高石英挠性加速度计误差测量精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种石英挠性加速度计误差测量系统，其特征在于，包括计算机，所述计算机与捷联惯性导航系统、全光纤加速度测量仪连接；所述捷联惯性导航系统和所述全光纤加速度测量仪将测得的加速度数据传输到计算机中，所述计算机计算两个测得加速度数据的差值，并将计算差值带入到卡尔曼滤波器中进行组合导航估算，估算得出捷联惯性导航系统中石英挠性加速度计的误差值。所述石英挠性加速度计误差测量系统结构简单，性能稳定，可以提高石英挠性加速度计误差测量精度。

所述捷联惯性导航系统中的挠性石英惯组和计算机安装在试验车内，全光纤加速度测量仪安装在试验车底部。车内环境相对稳定，适合挠性石英惯组和计算机的运行，车底使全光纤加速度测量仪激光照射距离最短，提升测量精确度。

所述石英挠性加速度计误差测量方法包括以下步骤：

S1：捷联惯组上电预热，直至稳定；用以减小惯性器件受温度变化的影响。

S2：打开计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集挠性石英惯组数据、全光纤加速度测量仪数据；

S3：试验车保持静止，惯组进行初始对准，导航坐标系取为游动自由方位坐标系；所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和测量方程为式(1)：

式中:

δθ_x、δθ_y为x、y两个方向的角位置误差矢量； δθ为高度误差；δv_x、δv_y、δv_z为速度误差矢量；

为姿态误差角；v_x、v_y、v_z为载体运动速度矢量；ρ为载体运动角速率矢量；Ω为地球自转角速率矢量；ω为ρ+Ω；g为地球重力加速度；R为地球半径；f_x、f_y、f_z为载体感受的比力矢量；δf_x、δf_y、δf_z为加速度计输出误差；ε_x、ε_y、ε_z为挠性陀螺随机漂移误差；C_ij为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵元素，i＝(1，2，3)，j＝(1，2，3)；τ_a，τ_g分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数；t是时间；惯性/零速组合的量测模型为：

Z₁(t)＝H₁X(t)+η₁(t) (2)

其中，Z₁(t)为零速修正观测量；H₁＝[O_3×3|I_3×3|O_3×9]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，O_3×3为三行三列零矩阵，O_3×6为三行六列零矩阵；

为卡尔曼状态矢量；

η₁(t)为零速测量噪声矢量；

S4：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/加速度测量仪组合导航估算；惯性/加速度测量仪组合导航坐标系仍然取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程通方程(1)；

在惯性/加速度测量仪组合导航时，用全光纤加速度测量仪测量的速度作为外部信息源，建立量测方程：

Z₂(t)＝H₂(t)X(t)+η₂(t) (3)

其中，Z₂(t)为全光纤速度修正观测量；H₂＝[O_3×3|I_3×3|A_3×3|O_3×6]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，

为卡尔曼状态矢量；

η₂(t)为全光纤加速度量测噪声矢量；a为全光纤加速度测量仪得到的加速度；

根据上述卡尔曼滤波器系统状方程和量测方程(1)、量测方程(2)～(3)，用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和全光纤加速度测量仪测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中石英挠性加速度计误差的估算值δf_x、δf_y和δf_z；

S5：试验车停止、熄火，停止数据采集和估算，保存估算结果，挠性石英惯组断电，测量系统断电。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：发明以全光纤加速度测量仪测得加速度积分得到的速度为观测信息，加速度积分可以滤除一些杂波，使速度信息更加精确，通过卡尔曼滤波器估算惯组中挠性加速度计车载动态环境下误差大小，弥补当前采用实验室多位置法里程计组合导航法标定测试的不足，整体提升了测量精度；其次，本发明采用惯性/全光纤加速度测量仪组合导航的方法测量加速度误差，其结构简单，性能稳定。

附图说明

图1是本发明组合导航测试系统原理框图

图2是本发明组合导航测试系统滤波方案原理框图

具体实施方式

石英挠性加速度计误差测量系统通过组合导航测试系统测试石英挠性加速度计误差，系统原理框图如图1所示。组合导航测试系统主要捷联惯性导航系统和全光纤加速度测量仪，其测量原理如下：半导体激光器发射的光由单模光纤耦合到光学环形器的入射端口，由光学环形器的的相邻出射端口输出，然后通过光纤准直器耦合输出，由光纤准直器输出的空间光照射到地面上，经大地散射的光作为信号光携带跑车运动信息，从光纤准直器端面反射回来作为参考光，光学环形器端口3经过1×2光纤分束器将光分为两束，其中一束经1×2光纤分束器的端口1和声光移频器连接进行移频，另一束经1×2光纤分束器的端口2与光纤延迟线连接，光纤延迟线的输出光和声光移频器的输出经2×1光纤耦合器进行外差干涉，光电探测器输出的频率等于光学拍的频率，通过光学检测光学拍的频率获得车载运动的加速度。

式中常数

光纤延迟线的延迟时间

n为光纤延迟线的有效折射率，L为光纤延迟线长度，c为真空中的光速，f为光学拍的频率，f_m声光移频器的频率，对加速度积分即可求出速度。

滤波方案如图2所示，组合系统采用间接法滤波,卡尔曼滤波器接收捷联惯性导航系统和全光纤加速度测量仪两者输出加速度的差值,经过滤波计算,估计各误差量,用惯性导航系统误差的估计值去校正系统输出的导航参数,使导航参数得到相应的补偿以趋于最优。

根据以上所述惯性/全光纤加速度测量仪组合导航测试石英挠性加速度计误差方法的测量原理，其具体实施方式为：

S1：捷联惯组上电预热，直至稳定；

S2：打开计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集挠性石英惯组数据、全光纤加速度测量仪数据；

S3：试验车保持静止，惯组进行初始对准，导航坐标系取为游动自由方位坐标系；所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和测量方程为式(1)；

式中:

δθ_x、δθ_y为x、y两个方向的角位置误差矢量；δθ为高度误差；δv_x、δv_y、δv_z为速度误差矢量；

为姿态误差角；v_x、v_y、v_z为载体运动速度矢量；ρ为载体运动角速率矢量；Ω为地球自转角速率矢量；ω为ρ+Ω；g为地球重力加速度；R为地球半径；f_x、f_y、f_z为载体感受的比力矢量；δf_x、δf_y、δf_z为加速度计输出误差；ε_x、ε_y、ε_z为挠性陀螺随机漂移误差；C_ij为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵元素，i＝(1，2，3)，j＝(1，2，3)；τ_a，τ_g分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数；t是时间；

惯性/零速组合的量测模型为：

Z₁(t)＝H₁X(t)+η₁(t) (2)

其中，Z₁(t)为零速修正观测量；H₁＝[O_3×3|I_3×3|O_3×9]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，O_3×3为三行三列零矩阵，O_3×6为三行六列零矩阵；

为卡尔曼状态矢量；η₁(t)为零速测量噪声矢量；S4：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/加速度测量仪组合导航估算；惯性/加速度测量仪组合导航坐标系仍然取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程通方程(1)；

在惯性/加速度测量仪组合导航时，用全光纤加速度测量仪测量的速度作为外部信息源，建立量测方程：

Z₂(t)＝H₂(t)X(t)+η₂(t) (3)

其中，Z₂(t)光纤速度修正观测量；H₂＝[O_3×3|I_3×3|A_3×3|O_3×6]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，O_3×3为三行三列零矩阵，O_3×6为三行六列零矩阵，

为卡尔曼状态矢量；η₂(t)为全光纤加速度量测噪声矢量；a为全光纤加速度测量仪得到的加速度。

根据上述卡尔曼滤波器系统状方程和量测方程(1)、量测方程(2)～(3)，用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和全光纤加速度测量仪测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中石英挠性加速度计误差的估算值δf_x、δf_y和δf_z。

S5：试验车停止、熄火，停止数据采集和估算，保存估算结果，挠性石英惯组断电，测量系统断电。

Claims (3)

1.一种石英挠性加速度计误差测量系统，其特征在于，包括计算机，所述计算机与捷联惯性导航系统、全光纤加速度测量仪连接；所述捷联惯性导航系统和所述全光纤加速度测量仪将测得的加速度数据传输到计算机中，所述计算机计算两个测得加速度数据的差值，并将计算差值带入到卡尔曼滤波器中进行组合导航估算，估算得出捷联惯性导航系统中石英挠性加速度计的误差值。

2.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计误差测量系统，其特征在于，所述捷联惯性导航系统中的挠性石英惯组和计算机安装在试验车内，全光纤加速度测量仪安装在试验车底部。

3.一种石英挠性加速度计误差测量系统的石英挠性加速度计误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：捷联惯组上电预热，直至稳定；

S2：打开计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集；

数据、全光纤加速度测量仪数据；

S3：试验车保持静止，惯组进行初始对准，导航坐标系取为游动自由方位坐标系；所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和测量方程为式(1)；

式中：

δθ_x、δθ_y为x、y两个方向的角位置误差矢量；δθ为高度误差；δv_x、δv_y、δv_z为速度误差矢量；

为姿态误差角；v_x、v_y、v_z为载体运动速度矢量；ρ为载体运动角速率矢量；Ω为地球自转角速率矢量；ω为ρ+Ω；g为地球重力加速度；R为地球半径；f_x、f_y、f_z为载体感受的比力矢量；δf_x、δf_y、δf_z为加速度计输出误差；ε_x、ε_y、ε_z为挠性陀螺随机漂移误差；C_ij为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵元素，i＝(1，2，3)，j＝(1，2，3)；τ_a，τ_g分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数；t是时间；

惯性/零速组合的量测模型为：

Z₁(t)＝H₁X(t)+η₁(t) (2)

其中，Z₁(t)为零速修正观测量；H₁＝[O_3×3|I_3×3|O_3×9]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，O_3×3为三行三列零矩阵，O_3×6为三行六列零矩阵；

为卡尔曼状态矢量；η₁(t)为零速测量噪声矢量；

S4：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/加速度测量仪组合导航估算；惯性/加速度测量仪组合导航坐标系仍然取为游动自由自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程通方程(1)；

在惯性/加速度测量仪组合导航时，用全光纤加速度测量仪测量的速度作为外部信息源，建立量测方程：

Z₂(t)＝H₂(t)X(t)+η₂(t) (3)

其中，Z₂(t)光纤速度修正观测量；H₂＝[O_3×3|I_3×3|A_3×3|O_3×6]为量测矩阵，I_3×3为三阶单位矩阵，O_3×3为三行三列零矩阵，O_3×6为三行六列零矩阵，

为卡尔曼状态矢量；η₂(t)为全光纤加速度量测噪声矢量；a为全光纤加速度测量仪得到的加速度；

根据上述卡尔曼滤波器系统状方程和量测方程(1)、量测方程(2)～(3)，用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和全光纤加速度测量仪测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中石英挠性加速度计误差的估算值δf_x、δf_y和δf_z；

S5：试验车停止、熄火，停止数据采集和估算，保存估算结果，挠性石英惯组断电，测量系统断电。

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