CN112525216B - 一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，包括以下步骤：步骤1、确定一点校的航向信息和位置信息；步骤2、基于步骤1获得的一点校的航向信息和位置信息，求取东向陀螺漂移及航向误差；步骤3、根据步骤2得到的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正。本发明灵活采用一点校或两点校进行校准，解决惯导长时间工作东向陀螺漂移及航向误差校正的难题。

Description

一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法

技术领域

本发明属惯导系统技术领域，尤其是一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法。

背景技术

惯性导航系统(以下简称“惯导系统”)因其能够实现自主导航，隐蔽性高，军事应用经久不衰。但惯性导航系统在误差源的影响下误差随时间累积发散，需要利用外部信息定期进行校准。其中，陀螺漂移是主要误差源，目前海军舰船惯导系统的校准方案一般不对东向陀螺漂移进行校准，随着导航时间的延长，东向陀螺漂移逐渐累积成为系统主要误差源，影响系统航向及位置出现较大误差。海军大部分舰船采用双惯导配备或多种型号惯导配备，不同惯导系统互相灵活提供校准信息。

现有技术中主要有一点位置校、三点位置校和组合校三种方法，下面分别对上述三种方法做简要说明：

(1)一点位置校

①B校

B校是只校正位置误差，同时仅根据系统的纬度误差对东向速度误差进行修正。B校没有时间限制，随时都可以进行。

②A校

A校是在综校时提供外部精确位置信息，根据系统位置误差求取北向和方位陀螺漂移值和航向误差对系统进行修正，对东向和北向速度误差进行修正，对位置进行更新。由于纬度和航向误差振荡周期为24小时，如果综校间隔取24小时的位置误差解算陀螺漂移则方程难以解算，因此要避开24小时这一点。

(2)三点位置校

①BBA校

BBA校需要对系统进行二次B校和一次A校。B校和B校时间间隔一般取1-2小时，B校和A校时间间隔要求3小时以上，因此完成一次校准需要4-5小时。在A校时求取北向和方位陀螺、航向误差、速度误差并进行补偿。校准时间较长，可以根据实际情况进行灵活选用。

②海上GPS校

海上GPS校基本原理同BBA校，GPS校的校正需要对系统输入三次位置信息，时间间隔一般取约1-2小时，因此完成一次校准需要2-3小时左右。在执行第三次校正时求取北向和方位陀螺、航向误差、速度误差并进行补偿。此校准方式是大部分舰艇所使用的主要校准方式。

(3)组合校准

①位置组合校准

根据不同舰船的使用特点，机动性较大且能长时间得到位置信息水面舰船，设置了无阻尼状态下的位置组合校准方案，利用外部位置信息进行组合滤波解算，并定期对系统误差进行校准。机动较大的舰艇位置组合校准既是一种校准手段也是一种主要工作方式。

②速度组合校准

部分舰艇能用多普勒计程仪等测速设备得到较为准确的速度信息，惯导系统可以利用这些速度信息进行组合滤波校准，结合位置校准可以对北向和方位陀螺、航向误差、速度误差进行校正。由于多普勒计程仪属于暴露性设备，校准需根据多普勒计程仪的使用条件灵活使用。

海军舰艇惯导系统相对航空航天及陆用导航设备的最大区别就是工作的长周期，在动辄十几天甚至数月的连续工作中，惯性导航系统在误差源的影响下导航参数误差随时间累积发散，需要利用外部信息定期进行校准。上面介绍的舰船惯导系统现有校准方法各有特点，需要根据实际情况合理选择使用。

海军惯导系统原有的以上所有校准方案的一个共同缺陷是都不能对东向陀螺漂移进行校正。但舰船惯导系统的使用特点就是工作的长周期。随着惯导系统工作时间的不断增加，东向陀螺长时间累积漂移不断增加而得不到校正，逐渐累积成为系统主要误差源，影响系统航向及位置出现较大误差。

在惯导系统工作时间不是很长(比如工作数天)的情况下，东向陀螺常值漂移基本能保证在要求范围以内。但是如果惯导系统工作十几天、几十天甚至更长时间，一直不能对东向陀螺漂移进行校准，东向陀螺漂移会累积到一个比较大的误差，东向陀螺漂移误差又会直接引起航向校准误差，使惯导系统航向误差逐渐变大，同时还会引起东向、北向速度误差及位置误差逐渐变大。现有的校准方案不能对东向陀螺漂移及其引起的航向误差进行校正，会导致惯导系统误差逐渐累积增加直至逐渐丧失导航功能。因此，亟待寻找到一种能对东向陀螺漂移及其引起的航向误差进行校准的有效手段，解决长时间工作东向陀螺漂移及航向误差校正的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，能够对东向陀螺漂移及其引起的航向误差进行校准。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、确定一点校的航向信息和位置信息；

步骤2、基于步骤1获得的一点校的航向信息和位置信息，求取东向陀螺漂移及航向误差；

步骤3、根据步骤2得到的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正；

而且，所述步骤1的具体方法为：

利用静电、激光惯导的航向作为基准信息；位置信息应用外测位置信息或静电、激光惯导位置信息；进而得到一点的航向、位置信息就可以执行一点校；

而且，所述步骤2的具体方法为：

(1)设惯导经纬度为λ_c、

基准经纬度信息为λ、

综校时刻惯导经纬度误差为Δλ＝λ_c–λ、

设惯导航向为H_c，基准航向为H，综校时刻航向误差为ΔH＝H_c–H。

(2)惯导东向速度修正量计算公式为：

(3)东向陀螺仪漂移产生的航向误差为：

(4)东向陀螺漂移的计算公式为：

而且，所述步骤3的校正公式为：

一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、确定两点校的航向信息和位置信息；

步骤2、根据步骤1获得的两点校的航向信息和位置信息，分别求取第一点和第二点的东向陀螺漂移及航向误差；

步骤3、根据步骤2得到的第一点和第二点的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正；

而且，所述步骤1的具体方法为：

利用静电、激光惯导的航向作为基准信息；位置信息应用外测位置信息或静电、激光惯导位置信息，进而取得两点航向、位置校准信息就可以完成一次两点校。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)根据OEPQ坐标系与地理坐标系OXYZ的变换关系可得

并可得

在地理坐标系中的ψ方程在OEPQ坐标系的形式如下

在OEPQ坐标系中有

从而有

t1时刻获得校准信息

(2)对经度、纬度和航向进行重调，可得

T2时刻获得校准信息

又因为

可得陀螺漂移的估计值

ε(t₂)＝ΩU^-1(t₂，t₁)N^-1(t₂)q(t₂)………………………………(14)

而且，所述步骤3的具体计算公式为：

本发明的优点和有益效果：

1、本发明根据实际情况，合理利用更高精度惯导或两套惯导中状态较好惯导作为校准信息，灵活采用一点校或两点校进行校准，解决惯导长时间工作东向陀螺漂移及航向误差校正的难题。通过实践检验，一点校、两点校方案灵活合理应用，很好解决了东向陀螺测漂及其引起的航向误差的校正问题，对提高惯导系统精度效果明显。特别是随着惯导工作时间的增加(十几天甚至数月)，灵活合理使用一点校、两点校方案，使用优势越发明显，惯导系统的长时间工作精度能得到明显改善。

2、本发明的一点校更适合以下情况：舰艇安装两套同状态惯导系统，其中一套惯导的东向陀螺漂移累积变化较大且由此带来的航向误差也比较大，而另外一套惯导东向陀螺漂移及航向误差则能长时间保持在较小范围。在实际出海过程中，随着出海航行时间的增加，比如出海时间超过十天甚至更长时间，出现上述情况的概率也会大幅增加。经过多次试验，进行一点校对修正航向误差及校准东向陀螺漂移都取得了良好效果。经过多次出海试验验证，合理穿插使用一点校和原三点位置校方案，惯导航向误差能减小50％以上，定位精度也有明显改善。一点校在不增加任何硬件需求的条件下，解决了东向陀螺漂移以及由此带来的航向误差的校正难题。

3、本发明的两点校适合以下情况：舰艇装备有精度更高静电、激光惯性设备，如果静电、激光惯性设备的航向误差小于液浮惯导误差的1/3，可以利用更高精度惯导的航向信息及外测位置信息进行两点校。通过实践证明，采用两点校的校准效果优于原有的三点位置校(BBA校或海上GPS校)，特别是解决了东向陀螺测漂以及航向长时间工作的发散校准难题，可以作为惯导主要的校准方式代替原有的三点位置校(BBA校或海上GPS校)。在多条船上进行比对试验，两套惯导系统一套采用两点校方案进行校准，一套采用海上GPS校进行校准，经过多次一个月以上的海上航行数据对比，随着惯导工作时间的增加，两点校的优势越发明显，能有效减小惯导误差发散20％-50％。如果船上有航向精度优于惯导系统3倍以上高精度惯导，建议将两点校作为主校准方式进行推广。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、确定一点校的航向信息和位置信息；

所述步骤1的具体方法为：

舰艇装备有精度更高静电、激光惯导，可以利用静电、激光惯导的航向作为基准信息。位置信息可以应用外测位置信息或静电、激光惯导位置信息，在有外测位置信息时优先选用外测位置信息。得到一点的航向、位置信息就可以执行一点校。

大部分舰艇都安装同状态两套惯导系统互为备份，其中一套惯导系统长时间工作累积东向陀螺漂移较大且由此带来的航向误差亦较大，而另外一套惯导精度较好且航向误差一直保持在很小范围。可以应用精度较好惯导航向信息作为基准信息，位置信息应用外测位置信息，这样得到一点的航向、位置信息也可以执行一点校。

步骤2、基于步骤1获得的一点校的航向信息和位置信息，求取东向陀螺漂移及航向误差；

所述步骤2的具体方法为：

(1)设惯导经纬度为λ_c、

基准经纬度信息为λ、

综校时刻惯导经纬度误差为Δλ＝λ_c–λ、

设惯导航向为H_c，基准航向为H，综校时刻航向误差为ΔH＝H_c–H。

(2)惯导东向速度修正量计算公式为：

(3)东向陀螺仪漂移产生的航向误差为：

(4)东向陀螺漂移的计算公式为：

步骤3、根据步骤2得到的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正；

所述步骤3的校正公式为：

一点校方案解决东向陀螺长时间工作累积漂移变化大以及由东向陀螺漂移引起的粗大航向误差的校正难题。但一点校方案没有对北向、方位陀螺仪进行测漂，在实际的使用中需结合原有的校准方案(BBA校、海上GPS校、位置组合校准、速度组合校准等)，使惯导系统的主要误差源都能得到有效校正，使惯导系统能长时间保精度工作。

在本实施例中，对上述一点校实施方案作进一步说明：

(1)确定应用条件

1)舰艇装备有精度更高静电、激光惯性设备，如果静电、激光惯性设备的航向误差小于液浮惯导误差的1/3，可以利用静电、激光惯性设备的航向信息结合一点外测位置完成一次一点校；对于水下潜艇，不能得到外测位置信息时，如果静电、激光惯性设备的航向、定位误差都小于液浮惯导误差的1/3，可以利用静电、激光惯性设备的航向、位置信息对液浮惯导进行一次一点校。

2)舰艇安装两套同状态惯导系统，其中一套惯导的东向陀螺漂移累计变化较大且由此带来的航向误差也比较大，而另外一套惯导东向陀螺漂移及航向误差则能长时间保持在较小范围。如果出现上述情况，首先需要观察到相对另外一套惯导航向误差随时间逐渐增大的现象及过程，另外还需要分析出航向误差增大是否由东向陀螺累积漂移逐渐变大引起。一般进行连续有效三点位置校航向误差保持稳定或有规律逐渐增加，换言之，进行连续三点位置校对抑制减小航向误差没有明显效果，一般可判定为航向误差由东向陀螺漂移引起。而另外一套惯导从定位、速度发散规律判断航向误差一直保持在较小范围。则可以利用误差小的惯导航向信息、外测位置信息完成一次一点校。

(2)求取航向误差：一点校的关键是求取惯导系统的航向误差，为避免航向测量噪声或个别异常值影响计算航向误差精度，我们会同步录取校准前5-10分钟两套惯导的航向信息，采取曲线拟合的方法计算航向误差，剔除异常点，最大限度减小测量噪声的影响。

(3)获得位置信息：舰艇能得到外测位置信息时采用外测位置信息；水下潜艇得不到外测位置信息时，可以采用更高精度惯性设备的位置信息来进行校准。

(4)执行校准：惯导系统装订一点校执行命令，惯导系统解算并按以下公式对惯导进行校正。

一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、确定两点校的航向信息和位置信息；

所述步骤1的具体方法为：

一点校方案没有对北向、方位陀螺仪进行测漂，不能单独长时间使用，需结合原有校准方案共同使用。在能得到两点位置及航向基准信息时，可以进行两点校，两点校可以对东向、北向和方位陀螺仪进行测漂，对航向误差、速度误差及位置误差进行校正。

舰艇有精度更高静电、激光惯导，可以利用静电、激光惯导的航向作为基准信息。位置信息可以应用外测位置信息或静电、激光惯导位置信息，在有外测位置信息时优先选用外测位置信息。取得两点航向、位置校准信息就可以完成一次两点校。

大部分舰艇都安装同状态两套惯导系统互为备份，其中一套惯导系统长时间工作累积东向陀螺漂移较大且由此带来的航向误差亦较大，而另外一套惯导精度较好且航向误差一直保持在很小范围。可以应用精度较好惯导航向信息作为基准信息，位置信息应用外测位置信息。取得两点航向、位置信息校准就可以完成一次两点校。

步骤2、根据步骤1获得的两点校的航向信息和位置信息，分别求取第一点和第二点的东向陀螺漂移及航向误差

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)根据OEPQ坐标系与地理坐标系OXYZ的变换关系可得

并可得

在地理坐标系中的ψ方程在OEPQ坐标系的形式如下

在OEPQ坐标系中有

从而有

t1时刻获得校准信息

(2)对经度、纬度和航向进行重调，可得

T2时刻获得校准信息

又因为

可得陀螺漂移的估计值

ε(t₂)＝ΩU^-1(t₂，t₁)N^-1(t₂)q(t₂)………………………………(30)

步骤3、根据步骤2得到的第一点和第二点的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正；

所述步骤3的具体计算公式为：

将公式(9)展开并经坐标变换可得

应用两点校，第一次取得信息对系统进行重调，第二次取得信息就可以计算出东向、北向和方位陀螺漂移并校正，根据纬度及航向误差计算出东向、北向速度误差并补偿，同时对经度、纬度和航向进行重调。时间间隔以1-3小时为宜，间隔时间过短或接近24小时，将会带来较大的计算误差，影响校准精度。

在本实施例中，对上述两点校实施方案作进一步说明：

(1)确定应用条件：两点位置校的应用条件同一点校，只不过一点校只需要一点位置及航向信息，而两点校需要两点位置及航向信息。

(2)求取第一点航向误差：校准的关键是求取惯导系统的航向误差，为避免航向测量噪声或个别异常值影响计算航向误差精度，我们会同步录取校准前5-10分钟两套惯导的航向信息，采取曲线拟合的方法计算航向误差，剔除异常点，最大限度减小测量噪声的影响。

(3)获得第一点位置信息：舰艇能得到外测位置信息采用外测位置信息；水下潜艇得不到外测位置信息是，可以采用更高精度惯性设备的位置信息来进行校准。

(4)执行第一点校准：惯导系统装订第一点校准执行命令，惯导系统对位置、航向进行修正。

(5)第一点校准结束后1-3小时，可以执行第二点校准。

(6)求取第二点航向误差：航向误差求取方法同第一点。

(7)获得第二点位置信息：获得第二点位置信息方法同第一点

(8)执行第二点校准：惯导系统装订第二点校准执行命令，惯导系统解算系统误差并进行校正。对惯导系统位置、航向进行修正。解算东向速度误差、北向速度误差并进行补偿，计算东向陀螺漂移、北向陀螺漂移、方位陀螺漂移并进行补偿，陀螺漂移计算公式如下

本发明的工作原理是：

一般大型水面舰船及水下潜艇都采用的是静电、激光、液浮、光纤和捷联惯导系统的全谱系配置，不同类型陀螺仪组成的惯导系统各有优点。综合应用能提高综合导航能力水平。一般来说，静电、激光惯导的精度更高，可以利用静电、激光惯导的航向信息、外测位置信息或静电、激光惯导位置信息作为基准信息进行校准，解决东向陀螺漂移及航向误差校正难题。

大部分舰艇都采用同状态两套惯导系统的配置，两套惯导互为备份提高任务可靠性。惯导系统的主要误差源是三个陀螺(东向、北向、方位)漂移，每个陀螺仪漂移的发散规律都是不一样的，因此两套惯导系统的误差发散可能也存在较大差异。当其中一套惯导的东向陀螺漂移累计变化较大且由此带来的航向误差也比较大，而另外一套惯导东向陀螺漂移及航向误差则能长时间保持在较小范围。则可以利用误差小的惯导航向信息、外测位置信息去校准误差大的惯导，解决东向陀螺漂移及航向误差较大的校正难题。

现有的校准方案的假设前提条件是东向陀螺常值漂移长期稳定不变。所有的系统误差由北向、方位陀螺漂移引起，校准是将系统误差都归结为北向、方位陀螺漂移进行校正。惯导工作时间不长或东向陀螺漂移长期保持稳定不会对系统精度造成大的影响。但是，随着工作时间不断增加，东向陀螺累积漂移变化也会逐渐增加。对部分长期稳定性较差的东向陀螺仪，长时间工作累积漂移变化会比较大，不仅影响方位陀螺测漂的准确性，还会带来与东向陀螺漂移成比例的航向校准误差。需要校准东向陀螺漂移及航向误差，需要位置及航向校准信息才能进行。海军舰船准确的位置信息一般还是容易得到的，是否能得到航向校准信息是校正东向陀螺漂移以及由此带来的航向误差的关键。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、确定一点校的航向信息和位置信息；

步骤2、基于步骤1获得的一点校的航向信息和位置信息，求取东向陀螺漂移及航向误差；

步骤3、根据步骤2得到的东向陀螺漂移及航向误差，由惯导系统解算并对惯导进行校正；

所述步骤1的具体方法为：

利用静电、激光惯导的航向作为基准信息；位置信息应用外测位置信息或静电、激光惯导位置信息；进而得到一点的航向、位置信息就可以执行一点校；

所述步骤2的具体方法为：

(1)设惯导经纬度为λ_c、

基准经纬度信息为λ、

综校时刻惯导经纬度误差为Δλ＝λ_c–λ、

设惯导航向为H_c，基准航向为H，综校时刻航向误差为ΔH＝H_c–H；

(2)惯导东向速度修正量计算公式为：

(3)东向陀螺仪漂移产生的航向误差为：

(4)东向陀螺漂移的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的一种惯导系统东向陀螺漂移及航向误差校准方法，其特征在于：所述步骤3的校正公式为：