CN114061572A - 一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法 - Google Patents

一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于旋转式惯性导航系统的双轴旋转调制方法。该方法结合了单轴连续旋转调制法与双轴转位法的优点，在采用该方法时，惯导不存在纯捷联导航状态，其旋转过程可主要分为IMU绕连续旋转轴的连续旋转和转位轴的转位两个部分。通过连续旋转，惯导可以在更短的时间内将垂直于旋转轴的两个轴向的陀螺漂移调制为零均值，通过转位，可以令沿旋转轴方向的陀螺漂移正负抵消为零均值。实验证明，采用该双轴旋转调制方法后，惯导系统96小时导航定位精度可达到0.0068n mile/h(CEP)。本发明可以满足惯导系统长航时导航精度要求。

Description

一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法
技术领域
本发明涉及一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法，主要适用于旋转式惯性导航系统的旋转策略设计，属于惯性导航领域。
背景技术
惯导沿地球极轴方向的等效陀螺漂移会导致经度误差发散，垂直于地球极轴方向的等效漂移会导致纬度误差产生地球周期的余弦振荡，这两个因素严重制约了惯导的长航时导航能力。
旋转调制是一种能有效减小惯导地理系下等效漂移的方式。目前常用的旋转调制方式主要有单轴连续旋转调制法与双轴转位法。单轴连续旋转调制可以将垂直于旋转轴方向上的常值及慢变陀螺漂移和加速度计零偏调制为零均值。但是，单轴旋转调制无法调制旋转轴方向上的陀螺漂移及加速度计零偏。双轴转位法是一种可将三个轴向的漂移和零偏平均为零的有效方式。常见的双轴转位法有八位置双轴转位法及在八位置法基础上变化而来的十六位置、三十二位置和六十四位置转位法。其主要工作过程为转动机构以较大角速度带动IMU转至特定位置，达到陀螺漂移在地理系下的积分正负抵消的效果。但是，当IMU停转时，惯导系统处于纯捷联状态，陀螺漂移与加速度计零偏会导致速度位置误差迅速发散。
本发明是一种结合了单轴连续旋转调制法与双轴多位置转位法两者优点的旋转调制方法。使用本发明时，惯导不存在纯捷联的导航状态，三个轴向的常值陀螺漂移在地理系下积分为零。因此，惯导在地理系下的等效陀螺漂移大小被极大地减小，长航时导航能力被提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对旋转式惯导系统的长航时使用需求，提出了一种双轴旋转调制方法。在本发明中，惯导不存在纯捷联导航状态，三个轴向的常值陀螺漂移在地理系下积分为零。本发明中，IMU的转位方式可以有多种，本文以一种转位方式为例设计了双轴旋转调制方法的旋转步骤。实验表明，该发明可满足惯导系统的长航时导航精度需求。
本发明的技术解决方案是：一种双轴旋转调制方法，其特征在于，在采用该方法时，惯导不存在纯捷联导航状态，其旋转过程可主要分为IMU绕连续旋转轴的连续旋转和IMU绕转位轴的转位两个部分。旋转式惯导系统需具备两个旋转轴，其中一个轴带动IMU连续旋转，另一个轴负责带动IMU转位。IMU绕连续旋转轴的连续旋转可以将垂直于旋转轴方向上的常值及慢变陀螺漂移和加速度计零偏调制为零均值，IMU绕转位轴的转位可以令沿连续旋转轴向的漂移及垂直于连续旋转轴向的剩余漂移在地理系下周期性正负相消，从而均值为零。
本发明的原理是：
双轴旋转调制方法的目标是令三个敏感轴上的陀螺漂移与加速度计零偏在地理系下的均值为零，涉及到的误差包括陀螺漂移εx、εy、εz，加速度计零偏
Figure BDA0003355930670000021
Figure BDA0003355930670000022
本文对陀螺相关误差在地理系下的表现形式进行分析(加速度计相关误差同陀螺相似)。
记惯导机体坐标系为b系，三个坐标轴xb、yb、zb分别指向惯导右前上，惯性测量坐标系为s系，是陀螺和加速度计数据输出的正交坐标系，IMU绕连续旋转轴以角速度ω1旋转，绕转位轴以角速度ω2旋转。假定连续旋转轴与zs轴重合，转位轴与yb轴重合。理想情况下，当IMU绕两个旋转轴的旋转角度均为零时，s系与b系重合，连续旋转轴与机体系Zb轴重合，转位轴与机体系Yb轴重合。
如图1所示，为双轴旋转调制方法的一个具体实施例的旋转步骤。双轴旋转调制方法实施例的旋转步骤可分为两个阶段，第一个阶段为步骤(1)-步骤(6)：(1)IMU绕zs轴指天正反旋转各n圈，n为正整数；(2)IMU绕zs轴指天正转180°；(3)IMU绕yb轴反转180°；(4)IMU绕zs轴指地反转、正转各n圈；(5)IMU绕zs轴正转180°；(6)IMU绕yb轴正转180°。
步骤(7)-步骤(12)为旋转步骤的第二阶段，第二阶段中IMU的指向为阶段一中IMU指向的逆序，且沿zs轴的半圈旋转和沿yb轴的半圈旋转应能够与阶段一中的组成整圈。第二阶段的旋转步骤为：(7)IMU绕yb轴正转180°；(8)IMU绕zs轴指地正转180°；(9)IMU绕zs轴指地正反旋转各n圈；(10)IMU绕yb轴反转180°；(11)IMU绕zs轴指天正转180°；(12)IMU绕zs轴指天反转、正转各n圈。
旋转步骤(1)～(12)的惯性测量坐标系与机体系的转化矩阵
Figure BDA0003355930670000037
为：
Figure BDA0003355930670000031
Figure BDA0003355930670000032
Figure BDA0003355930670000033
Figure BDA0003355930670000034
Figure BDA0003355930670000035
Figure BDA0003355930670000036
其中Ti(i＝1，2，…12)表示旋转步骤(1)～(12)的持续时间。
陀螺漂移在n系下表现形式为：
Figure BDA0003355930670000041
其中，εn为地理系下陀螺漂移向量，εs为敏感系下陀螺漂移向量。由n系下陀螺漂移积分得到的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000042
当IMU绕zs轴连续正转及反转一整圈的过程，垂直于旋转轴的两个方向上的陀螺漂移可以被调制为地理系下的零均值正余弦形式，从而使得水平方向上的等效陀螺漂移为零。即当IMU处于旋转步骤(1)，步骤(4)，步骤(9)，步骤(12)时，惯导仅存在等效天向陀螺漂移。IMU处于步骤(1)与步骤(12)过程时，zs轴指天，分别产生累积天向平台偏角4nπεz/ω1，刚好可以与步骤(4)与步骤(9)时产生的累积平台偏角相抵消。即使用本旋转策略时，IMU仅会在转位过程中在地理系下产生等效陀螺漂移。下面将分别对IMU转位过程中，陀螺漂移在地理系下的表现形式及积分进行分析。
步骤(2)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000043
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000044
步骤(3)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000051
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000052
步骤(5)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000053
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000054
步骤(6)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000055
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000061
步骤(7)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000062
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000063
步骤(8)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000064
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000065
步骤(10)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000071
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000072
步骤(11)中惯导的地理系下等效陀螺漂移为：
Figure BDA0003355930670000073
该等效陀螺漂移所产生的平台偏角为：
Figure BDA0003355930670000074
将式(16)，(18)，(20)，(22)，(24)，(26)，(28)，(30)所得结果相加可知，在一个旋转调制周期内，常值及慢变陀螺漂移不产生累积平台偏角。理论上，地理系下不存在剩余等效陀螺漂移。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)与单轴旋转调制方法相比，本发明可以令惯导三个轴向的常值及慢变陀螺漂移和加速度计零偏在一个旋转调制周期内均值为零；
(2)与双轴转位法相比，本发明中惯导不存在纯捷联导航状态，且有两个方向上的陀螺漂移可在更短的时间内被调制为零均值。
附图说明
图1为本发明具体实施例导航实验的旋转步骤；
图2为本发明具体实施例导航实验的位置误差曲线；
图3为本发明具体实施例导航实验的速度误差曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，详细介绍本发明方法。针对转位轴为旋转式惯导系统外框轴且与yb轴重合，连续旋转轴为内框轴且与zs轴重合的旋转惯导系统，设计了如下旋转策略：
步骤(1)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指天正反旋转各1圈；
步骤(2)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指天正转180°；
步骤(3)：IMU以6°/s角速度绕yb轴反转180°；
步骤(4)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指地反转、正转各1圈；
步骤(5)：IMU以6°/s角速度绕zs轴正转180°；
步骤(6)：IMU以6°/s角速度绕yb轴正转180°。
步骤(7)：IMU以6°/s角速度绕yb轴正转180°；
步骤(8)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指地正转180°；
步骤(9)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指地正反旋转各1圈；
步骤(10)：IMU以6°/s角速度绕yb轴反转180°；
步骤(11)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指天正转180°；
步骤(12)：IMU以6°/s角速度绕zs轴指天反转、正转各1圈。
使用该发明对惯导系统进行了长航时导航实验，导航时长96小时，导航定位精度0.0068n mile/h(CEP)，东向速度误差统计结果0.0830m/s(RMS)，东北向速度误差统计结果0.0847m/s(RMS)。图2-图3为导航实验的位置误差和速度误差曲线。由实验结果可知，本发明应用于双轴旋转式惯导系统可满足惯导系统长航时导航需要。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种双轴旋转调制方法，其特征在于，结合了单轴连续旋转调制法与传统双轴转位法的优点，通过连续旋转调制与转位，在一个旋转调制周期内可令三个轴向漂移在地理系下积分为零。
2.一种双轴旋转调制方法，其特征在于，其对惯导水平方向上的陀螺漂移的调制方式为连续旋转调制与转位法结合，其中，以连续旋转调制为主，与传统双轴转位法完全依靠敏感轴的间歇性反方向以将常值漂移正负抵消为零的方式不同。
3.一种双轴旋转调制方法，其特征在于，旋转式惯导系统需具备两个旋转轴，其中一个轴带动IMU连续旋转，另一个轴负责带动IMU转位；连续旋转轴为IMU法向轴，转位轴与连续旋转轴正交，指向IMU俯仰轴或横滚轴。
4.一种双轴旋转调制方法，其特征在于，在采用该旋转策略时，惯导不存在纯捷联导航状态，其旋转过程可主要分为两个部分：
部分(1)：IMU绕连续旋转轴的连续旋转；
部分(2)：IMU绕转位轴的转位。
5.一种双轴旋转调制方法，其特征在于，权利4中所述IMU的连续旋转方式与转位方式不止一种，连续旋转方式包括所有可将垂直于旋转轴方向的陀螺漂移调制为零均值的方法，转位方式包括所有可在一个周期内令三个轴向的陀螺漂移积分为零的转位方法。
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