CN112665610A - 一种sins/dvl组合导航系统外量测信息补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，属于惯性导航技术领域，本发明利用车载辅助传感器提供的比力、速度以及位置等基准信息作为观测量，与平台式惯性测量系统输出的比力、速度以及位置等信息做差，利用该差值与惯性器件各项误差参数之间的耦合关系通过最小二乘算法辨识出待估计误差参数。本发明能够通过跑车试验辨识出待估计的惯性平台误差参数，从而提高平台式惯性测量系统的精度，且此方法简单易行。

Description

一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法。

背景技术

惯导平台是惯性导航系统的核心部件，其精度主要取决于惯性测量器件(陀螺仪和加速度计)的精度。提高惯导平台精度的方法一般有两种：一是提高陀螺仪及加速度计的精度，从而减小平台误差；二是建立平台的误差模型，利用各种测试方法辨识出各项误差系数，并利用辨识结果对平台误差进行补偿，从而提高平台系统的精度。研制更高精度的陀螺仪和加速度计代价昂贵，因此第二种方法是提高平台精度的经济而又有成效的途径。对于平台式惯性测量系统而言，由于平台隔离了加速度计与载体的角运动，则在线运动条件和重力下建立的惯性器件误差与比力之间的函数关系，即惯性器件静态误差模型成为平台式惯性器件的主要标定误差模型。

在惯性系统误差标定及补偿技术有研究中，国内航天科工集团、北京控制仪器研究所、北京自动化设备研究所、国防科技大学、北京航空航天大学等单位都对惯性系统误差标定及补偿技术有研究报道，并且认为该技术是提高惯性系统使用精度的重要手段，陀螺平台借助自身框架的转动及锁定功能可以实现自主误差标定。相关部门对此项技术的应用也非常重视。针对特定的应用环境，对误差补偿技术研究是非常有利的时机。

但是在已发表的文章中，如在《系统工程与电子技术》第32卷第8期的陈才、郭刚、苏宝库的一篇《基于离心机测试的惯导平台误差系数辨识研究》文章中为解决惯导平台误差模型辨识中与加速度高阶项有关的误差系数的辨识问题，提出一种基于离心机测试的惯导平台误差系数辨识的方案。通过分析惯导平台在过载状况下的受力，给出惯导平台在离心机上的安装定向及其误差系数的辨识方案。但是该研究需要利用离心机进行测试且需要利用卡尔曼滤波估计进行误差系数辨识，实践较复杂。

公开号为CN104764463A的专利文件中，公开了“一种惯性平台调平瞄准误差的自检测方法”，本发明公开了一种惯性平台调平瞄准误差的自检测方法，在惯性平台结束了调平瞄准后，令其进入断调平状态，通过此种状态下惯性平台在一段时间内的测量信息来计算惯性平台相对当地的实时姿态，再结合断调平后的时间差将台体姿态推算至调平瞄准结束时刻，进而实现了通过自身测量值来检验惯性平台本次调平瞄准误差的方法。该方法平台跟踪地理坐标系，需要对陀螺施矩，平台失准角α,β,γ不只包含陀螺的漂移误差还会包含因伺服控制回路导致的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惯性平台误差参数标定方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，包含以下步骤：

步骤1：将惯性平台和高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统固定在统一安装基座上，然后再一起固定在载车上，使得惯性平台和组合导航系统之间的航向偏差及水平偏差为固定值；

步骤2：启动惯性平台和组合导航设备，预热90分钟后，开始初始对准，经过30分钟初始对准结束后，记录惯性平台和组合导航设备的对准结果，并计算惯性平台与组合导航设备之间的航向和水平偏差，共进行3次对准，并将3次结果取平均值，作为惯性平台与组合导航设备之间的固定安装偏差；

步骤3：记录导航时间t、初始经度λ₀、地球自转角速率ω_ie、高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统提供的经度λ、纬度L、比力基准信息f^b、速度信息W、组合导航系统解算输出的捷联姿态矩阵

平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p；

步骤4：利用步骤3得到的数据信息，计算组合导航系统测量得到的载体真实比力信息在惯性系投影fⁱ；

步骤5：利用平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p将陀螺漂移误差导致的平台失准角和加速度计测量误差进一步写成线性矩阵形式；

步骤6：在获得观测信息建立观测方程后，利用递推最小二乘算法对各个误差参数进行辨识。

步骤4所述的组合导航系统测量得到的载体真实比力信息在惯性系投影fⁱ为：

其中，

ζ＝λ-λ₀+ω_iet。

步骤5中所述的线性矩阵形式为：

δf^p＝H_VX

其中，X是24维待辨识的陀螺仪和加速度计误差系数，H_V是量测矩阵；

为比力误差在惯性空间的投影，即

对转子陀螺仪静态漂移误差模型建立的数学模型如下所示：

其中：

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的总漂移误差；

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的加速度；

建立加速度计简化标定误差模型如下所示：

其中：δA_ax,δA_ay,δA_az分别为加速度计沿x，y，z轴向的总漂移误差。

步骤6中所述的递推最小二乘算法步骤为：

步骤6-1：初始估计值如下：

x₀＝E(x)

如果在观测值获取之前没有可利用的x的信息，那么P₀＝∞I；如果在观测值获取之前已经很好地获得x的信息，则P₀＝0；

步骤6-2：对于k＝1，2，...，执行如下步骤：

步骤a：获取观测值y_k

y_k＝H_kx_k+v_k

步骤b：更新x的估计值和估计误差协方差矩阵P_k如下：

其中，R_k是观测噪声协方差矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在惯性空间中标定模型，通过跑车试验标定惯性平台误差参数，方法简单，易操作。

附图说明

图1本发明的流程图；

图2载车加速度变化图；

图3陀螺零次项误差估计图；

图4陀螺X轴一次项误差估计图；

图5陀螺Y轴一次项误差估计图；

图6陀螺Z轴一次项误差估计图；

图7加速度计零次项误差估计图；

图8加速度计X轴一次项误差估计图；

图9加速度计Y轴一次项误差估计图；

图10加速度计Z轴一次项误差估计图。

具体实施方式

本发明提供了一种惯性平台误差参数标定方法。该方法利用车载辅助传感器提供的比力、速度以及位置等基准信息作为观测量，与平台式惯性测量系统输出的比力、速度以及位置等信息做差，利用该差值与惯性器件各项误差参数之间的耦合关系通过最小二乘算法辨识出待估计误差参数。本发明能够通过跑车试验辨识出待估计的惯性平台误差参数，从而提高平台式惯性测量系统的精度，且此方法简单易行。

下面结合附图对本发明作出详细说明：

一种惯性平台误差参数标定方法的流程图如附图1，方法主要步骤如下：

步骤1、将惯性平台和高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统固定在统一安装基座上，然后再一起固定在载车上，使得惯性平台和组合导航系统之间的航向偏差及水平偏差为固定值；

步骤2、启动惯性平台和组合导航设备，预热90分钟后，开始初始对准，经过30分钟初始对准结束后，记录惯性平台和组合导航设备的对准结果，并计算惯性平台与组合导航设备之间的航向和水平偏差，共进行3次对准，并将3次结果取平均值，作为惯性平台与组合导航设备之间的固定安装偏差；

步骤3、记录导航时间t、初始经度λ₀、地球自转角速率ω_ie、高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统提供的经度λ、纬度L、比力基准信息f^b、速度信息W、组合导航系统解算输出的捷联姿态矩阵

平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p；

步骤4、利用步骤3得到的数据信息计算组合导航系统测量得到的载体比力信息在惯性系投影fⁱ，将fⁱ作为基准值；即：

其中

ζ＝λ-λ₀+ω_iet；

步骤5、利用平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p将陀螺漂移误差导致的平台失准角和加速度计测量误差进一步写成线性矩阵形式，即：

利用步骤3得到的f^p和步骤4得到的fⁱ构造观测量，

δf^p＝f^p-fⁱ

进一步，将观测量与陀螺漂移误差导致的平台失准角和加速度计测量误差构成线性矩阵形式：

δf^p＝H_VX

X是24维待辨识的陀螺仪和加速度计误差系数，H_V是量测矩阵；

其中

为比力误差在惯性空间的投影，即

对转子陀螺仪静态漂移误差模型建立的数学模型如下所示：

其中：

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的总漂移误差；

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的加速度。

建立加速度计简化标定误差模型如下所示：

其中：δA_ax,δA_ay,δA_az分别为加速度计沿x，y，z轴向的总漂移误差。

步骤6、在获得观测信息建立观测方程后，利用递推最小二乘算法对各个误差参数进行辨识。递推最小二乘算法步骤为：

1.初始估计值如下：

x₀＝E(x)

如果在观测值获取之前没有可利用的x的信息，那么P₀＝∞I。如果在观测值获取之前已经很好地获得x的信息，则P₀＝0。

2.对于k＝1,2，...，执行如下步骤：

(a)获取观测值y_k

y_k＝H_kx_k+v_k

(b)更新x的估计值和估计误差协方差矩阵P_k如下：

其中，R_k是观测噪声协方差矩阵。

步骤5中的建立惯性空间标定模型以及利用跑车试验标定误差参数。惯性空间标定模型方法如下：当平台式惯性测量系统工作在断调平工作模式下，其稳定平台将跟踪惯性坐标系。在这种工作模式下，选择比力信息在惯性坐标系的投影作为基准信息，建立该观测量与待标定惯性器件误差参数之间的耦合关系，即系统观测模型。

X＝[K_gox,K_xx,K_yx,K_zx,K_goy,K_xy,K_yy,K_zy,K_goz,K_xz,K_yz,K_zz,K_aox,K_a1x,θ_xz,θ_xy,K_aoy,K_a1y,θ_yz,θ_yx,K_aoz,K_a1z,θ_zy,θ_zx]^T是24维待辨识的陀螺仪和加速度计误差系数；(H_V)_3×24是量测矩阵，相应的量测矩阵元素如表1所示(序号对应为列数，H_V(i,j)对应第i行第j列元素)：

表1量测矩阵(H_V)_3×24系数

其参数定义如下：

K_aox—与加速度无关的沿x轴向的误差系数；

K_aoy—与加速度无关的沿y轴向的误差系数；

K_aoz—与加速度无关的沿z轴向的误差系数；

K_a1x,K_θyz,K_θzy—与x轴向加速度成比例的误差系数；

K_a1y,K_θxz,K_θzx—与y轴向加速度成比例的误差系数；

K_a1z,K_θyx,K_θxy—与z轴向加速度成比例的误差系数；

K_gox—与加速度无关的沿x轴向的陀螺仪漂移系数，即常值漂移；

K_goy—与加速度无关的沿y轴向的陀螺仪漂移系数，即常值漂移；

K_goz—与加速度无关的沿z轴向的陀螺仪漂移系数，即常值漂移；

K_xx,K_xy,K_xz—与x轴向加速度成比例的陀螺仪漂移系数；

K_yx,K_yy,K_yz—与y轴向加速度成比例的陀螺仪漂移系数；

K_zx,K_zy,K_zz—与z轴向加速度成比例的陀螺仪漂移系数；

W_x，W_y，W_z分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的速度。

本发明的有益效果通过惯性空间标定仿真试验得以验证：

仿真条件设置如下：

(a)标定过程中初始方位为0°，载车做加减速剧烈运动5分钟后转向90°行驶，行驶5分钟后载车再次转向90°，行驶5分钟后载车继续转向90°行驶，然后行驶45分钟后1次试验结束。

(b)陀螺相关标定误差参数设置如表2所示。

表2陀螺相关标定误差参数设置

(c)加速度计相关标定误差参数如表3所示。

表3加速度计相关标定误差参数设置

(d)器件噪声设置为：

加速度计：方差强度为5*10^-6g的白噪声；

陀螺：方差强度为0.003°/h的白噪声。

(e)载车行驶过程中艏娓向加速度按下式所示变化：

仿真过程中，载车艏娓向加速度一段时间内变化情况如图2所示。在(a)～(e)试验条件下进行仿真试验，仿真试验过程中观测量X、Y、Z三轴比力输出分别存在均方差为0.001m/s²，0.002m/s²，0.001m/s²的随机噪声以及幅值为0.000105m/s²，0.000108m/s²，0.000105m/s²的常值偏差，利用最小二乘法对陀螺仪和加速度计各项待标定误差参数进行辨识，仿真结果如图3～10所示(其中，红色直线代表辨识结果，蓝色点线代表辨识误差)。重复进行10次仿真实验，按下式所示计算10次仿真结果相对均方误差，结果如表4所示(下表中均未带单位)：

其中，D₀为真值，D_i为第i次仿真试验辨识出的参数值，n为仿真试验次数10。

表4仿真试验相对均方误差

从仿真结果可以看出，陀螺的零次项和部分一次项以及加速度计的部分一次项可以快速估计出来，而加速度计零次项和陀螺及加速度计剩余一次项需要载车经过3次转弯后才能较好地辨识出来,从而验证了此发明的可行性。

Claims (4)

1.一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：将惯性平台和高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统固定在统一安装基座上，然后再一起固定在载车上，使得惯性平台和组合导航系统之间的航向偏差及水平偏差为固定值；

步骤2：启动惯性平台和组合导航设备，预热90分钟后，开始初始对准，经过30分钟初始对准结束后，记录惯性平台和组合导航设备的对准结果，并计算惯性平台与组合导航设备之间的航向和水平偏差，共进行3次对准，并将3次结果取平均值，作为惯性平台与组合导航设备之间的固定安装偏差；

步骤3：记录导航时间t、初始经度λ₀、地球自转角速率ω_ie、高精度捷联式光纤惯性/GPS组合导航系统提供的经度λ、纬度L、比力基准信息f^b、速度信息W、组合导航系统解算输出的捷联姿态矩阵

平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p；

步骤4：利用步骤3得到的数据信息，计算组合导航系统测量得到的载体真实比力信息在惯性系投影fⁱ；

步骤5：利用平台式惯性测量系统加速度计测量值f^p将陀螺漂移误差导致的平台失准角和加速度计测量误差进一步写成线性矩阵形式；

步骤6：在获得观测信息建立观测方程后，利用递推最小二乘算法对各个误差参数进行辨识。

2.根据权利要求1所述的一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，其特征在于，步骤4所述的组合导航系统测量得到的载体真实比力信息在惯性系投影fⁱ为：

其中，

ζ＝λ-λ₀+ω_iet。

3.根据权利要求1所述的一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，其特征在于，步骤5中所述的线性矩阵形式为：

δf^p＝H_VX

其中，X是24维待辨识的陀螺仪和加速度计误差系数，H_V是量测矩阵；

为比力误差在惯性空间的投影，即

对转子陀螺仪静态漂移误差模型建立的数学模型如下所示：

其中：

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的总漂移误差；

分别为陀螺仪沿x，y，z轴向的加速度；

建立加速度计简化标定误差模型如下所示：

其中：δA_ax,δA_ay,δA_az分别为加速度计沿x，y，z轴向的总漂移误差。

4.根据权利要求1所述的一种SINS/DVL组合导航系统外量测信息补偿方法，其特征在于，步骤6中所述的递推最小二乘算法步骤为：

步骤6-1：初始估计值如下：

x₀＝E(x)

如果在观测值获取之前没有可利用的x的信息，那么P₀＝∞I；如果在观测值获取之前已经很好地获得x的信息，则P₀＝0；

步骤6-2：对于k＝1，2，...，执行如下步骤：

步骤a：获取观测值y_k

y_k＝H_kx_k+v_k

步骤b：更新x的估计值和估计误差协方差矩阵P_k如下：

其中，R_k是观测噪声协方差矩阵。

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