CN1945210A - 一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法 - Google Patents

Abstract

一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法，该方法的捷联惯性导航系统SINS包含四个单轴陀螺，一个为监控陀螺，其余三个为导航陀螺。在SINS工作过程中，监控陀螺不需依赖外部信息，就可以自主地在线测量三个导航陀螺每次启动后的常值漂移量及其缓慢变化，并据此对其进行实时综合补偿，这种测量和补偿贯穿SINS工作的全过程，克服了陀螺性能变化对SINS系统精度的影响。本发明具有自主、灵活简便、精度高的特点，可用于提高挠性陀螺SINS、光纤陀螺SINS、MEMS陀螺SINS等捷联惯性导航系统的精度。

Description

一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法

技术领域

本发明涉及一种在线实时消除捷联惯性导航系统(SINS)陀螺常值漂移的方法，可用于提高挠性陀螺SINS、光纤陀螺SINS、MEMS陀螺SINS等捷联惯性导航系统的精度。

背景技术

捷联惯性导航系统(SINS)的基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪、加速度计测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，连续、实时地提供位置、速度和姿态信息。SINS完全依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此，它具有隐蔽性好，不受气候条件限制，无信号丢失，不受干扰等优点，是一种完全自主式、全天候的导航系统，已广泛应用于航空、航天、航海、陆地等领域。但是SINS的导航信息精度随时间推移而逐渐降低。造成SINS精度降低的主要原因是导航陀螺存在漂移，因此，要想得到长时间、高精度的导航信息，就必须对导航陀螺漂移进行测量和补偿。

陀螺漂移一般可分为常值漂移和随机漂移两部分。常值漂移部分可以事先给予补偿。但实际上，陀螺仪的常值漂移是变化的。除了有逐次启动误差外，还有逐日漂移的变化，即在一次启动后随着陀螺仪运转时间的增长，陀螺仪的常值漂移量也在缓慢地变化着。对于长时间工作的SINS来说，这种随时间积累的慢变化是阻碍SINS精度提高的主要原因。

减小陀螺常值漂移从而提高SINS系统精度的主要途径有三种：一是改善惯性元件，二是标定补偿，三是采用先进的滤波方法对陀螺常值漂移进行在线估计与补偿。改善惯性元件，即提高陀螺的加工制造精度，这往往会受到工艺和成本等诸多因素的限制，而且要花费很高的代价和较长的周期，因此较难实现；标定补偿是在SINS用于导航工作之前，建立陀螺仪的误差数据模型，求解陀螺常值漂移，然后进行补偿的方法。该方法在一定程度上减小了陀螺常值漂移，但在陀螺工作的整个过程中始终用一个不变的常值进行陀螺漂移补偿，无法克服陀螺常值漂移的逐次启动误差及其工作中的缓慢变化；采用滤波方法可以在线估计陀螺常值漂移并进行补偿，但由于在线估计时，陀螺常值漂移可观测程度较差，因此估计精度不高，补偿后的效果并不理想。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提出一种捷联状态下，在线实时消除陀螺常值漂移的方法，提高捷联惯性导航系统(SINS)的精度。

本发明的技术解决方案为：一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法，通过安装一个附加监控陀螺，实现对三个导航陀螺的全监控。具体步骤如下：

(1)在捷联惯性导航系统SINS中除了安装三个导航陀螺以外，还安装一个附加陀螺，作为监控陀螺，该监控陀螺安装在一个转位机构上，通过转位机构，实现监控陀螺输入轴分别与其他三个导航陀螺输入轴正、反向的精确对准；

(2)捷联惯性导航系统SINS预热准备，具体准备时间根据不同的系统而不同；

(3)SINS准备完毕，首先监控导航陀螺1，即转动监控陀螺，使监控陀螺输入轴与导航陀螺1的输入轴精确对准，采集监控陀螺和导航陀螺1输出的角速度数据，分别记为ω₀、ω₁；

(4)将监控陀螺翻转180度，使其输入轴与导航陀螺1的输入轴平行且反向，采集监控陀螺与导航陀螺1输出的角速度数据，分别记为ω₀′、ω₁′；

(5)根据上述两个陀螺的角速度数据ω₀、ω₁、ω₀′、ω₁′，计算导航陀螺1的常值漂移ε₁，其计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_1}{2}$

根据上式计算出的ε₁，对导航陀螺1输出的角速度数据ω₁′进行陀螺常值漂移补偿，补偿ε₁后的角速度数据ω₁″为：

${\mathrm{\ω}}_1^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_1}{2}$

(6)监控导航陀螺2，步骤同(3)、(4)、(5)；

(7)监控导航陀螺3，步骤同(3)、(4)、(5)；

(8)在SINS工作过程中，不断重复(3)至(7)，直至导航结束。

本发明的原理是：监控陀螺输入轴与导航陀螺1的输入轴精确对准时，它们输出的角速度数据分别为：

ω₀＝ω_t1+ε₀                         (1)

ω₁＝ω_t1+ε₁                         (2)

其中，ω_t1为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度，由于监控陀螺输入轴与导航陀螺输入轴精确对准，因此载体绕监控陀螺输入轴的转动角速度也为ω_t1；ε₀为监控陀螺常值漂移；ε₁为导航陀螺1的常值漂移。

将监控陀螺翻转180度，使其输入轴与导航陀螺1的输入轴平行且反向，采集监控陀螺与导航陀螺输出的角速度数据，分别记为ω₀′、ω₁′。

ω₀′＝-ω_t2+ε₀′                    (3)

ω₁′＝ω_t2+ε₁′                     (4)

其中，ω_t2为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度，由于监控陀螺翻转180度，其输入轴与导航陀螺输入轴平行，但指向相反，因此为-ω_t2；ε₀′为监控陀螺常值漂移；ε₁′为导航陀螺1的常值漂移。

由(1)式、(2)式可得

ω₀-ω₁＝ε₀-ε₁                     (5)

由(3)式、(4)式可得

ω₀′+ω₁′＝ε₀′+ε₁′              (6)

监控陀螺翻转周期很短，可认为ε₀＝ε₀′，ε₁＝ε₁′，这样，由(5)式和(6)式可得

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_1}{2}---\left(7\right)$

根据计算出的ε₁，对导航陀螺1输出的角速度数据ω₁′进行陀螺常值漂移补偿。补偿ε₁后的角速度数据ω₁″为：

${\mathrm{\ω}}_1^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_1}{2}---\left(8\right)$

由上，便可以实现在监控陀螺翻转周期内，在线测量监控陀螺和导航陀螺的输出，然后计算导航陀螺的常值漂移，并据此对它进行实时补偿。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明给出一种捷联状态下消除陀螺常值漂移的方法，通过附加一个监控陀螺，在SINS工作过程中，监控陀螺不需依赖外部信息，就可以自主地在线测量三个导航陀螺每次启动后的常值漂移量及其缓慢变化，并据此对其进行实时综合补偿，这种测量和补偿贯穿SINS工作的全过程，克服了陀螺性能变化对SINS系统精度的影响，有效消除陀螺常值漂移对SINS精度的影响，提高了SINS的精度；且具有自主、灵活简便、精度高的特点，可用于提高挠性陀螺SINS、光纤陀螺SINS、MEMS陀螺SINS等捷联惯性导航系统的精度。

(2)本发明除了适用于由单轴光纤陀螺、MEMS陀螺组成的SINS以外，对由双轴挠性陀螺组成的SINS同样适用，而且通过安装一个双轴挠性监控陀螺可同时对一个导航陀螺的两个轴向输出进行监控。

附图说明

图1为本发明消除陀螺常值漂移方法的流程图。

图2为SINS中陀螺安装及监控过程示意图。图中，三个导航陀螺输入轴两两正交，分别指向x、y、z轴正向。

图2a、2b表示对导航陀螺1进行监控。图2a中，监控陀螺输入轴正向与导航陀螺输入轴正向对准；图2b中，监控陀螺翻转180度，即其输入轴正向与导航陀螺1输入轴反向对准。

图2c、2d表示对导航陀螺2进行监控。图2c中，监控陀螺输入轴正向与导航陀螺输入轴正向对准；图2d中，监控陀螺翻转180度，即其输入轴正向与导航陀螺2输入轴反向对准。

图2e、2f表示对导航陀螺3进行监控。图2e中，监控陀螺输入轴正向与导航陀螺输入轴正向对准；图2f中，监控陀螺翻转180度，即其输入轴正向与导航陀螺3输入轴反向对准。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施方法如下：

1、在捷联惯性导航系统SINS中除了安装三个导航陀螺以外，还安装一个附加陀螺，作为监控陀螺。其中，三个导航陀螺输入轴两两正交。监控陀螺安装在转位机构上，通过转位机构，可实现监控陀螺输入轴分别与其他三个导航陀螺输入轴正、反向的精确对准；

2、捷联惯性导航系统(SINS)的准备

SINS开机后，进入准备状态。

3、监控导航陀螺1

(1)SINS准备完毕，通过转位机构，转动监控陀螺，使其输入轴与导航陀螺1的输入轴精确对准，采集1秒钟这两个陀螺输出的角速度数据(采样频率越高，采集时间越短)，分别记为ω₀、ω₁。

ω₀＝ω_t1+ε₀                 (9)

ω₁＝ω_t1+ε₁                 (10)

其中，ω_t1为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度，由于监控陀螺输入轴与导航陀螺输入轴精确对准，因此载体绕监控陀螺输入轴的转动角速度也为ω_t1；ε₀为监控陀螺常值漂移；ε₁为导航陀螺1的常值漂移。

(2)将监控陀螺翻转180度，使其输入轴与导航陀螺1的输入轴平行且反向，采集1秒钟监控陀螺与导航陀螺输出的角速度数据(采样频率越高，采集时间越短)，分别记为ω₀′、ω₁′。

ω₀′＝-ω_t2+ε₀′                     (11)

ω₁′＝ω_t2+ε₁′                      (12)

其中，ω_t2为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度，由于监控陀螺翻转180度，其输入轴与导航陀螺输入轴平行，但指向相反，因此为-ω_t2；ε₀′为监控陀螺常值漂移；ε₁′为导航陀螺1的常值漂移。

(3)计算导航陀螺1的常值漂移。

由(9)式、(10)式可得

ω₀-ω₁＝ε₀-ε₁                      (13)

由(11)式、(12)式可得

ω₀′+ω₁′＝ε₀′+ε₁′              (14)

监控陀螺翻转周期很短，可认为ε₀＝ε₀′，ε₁＝ε₁′，这样，由(13)式和(14)式可得

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_1}{2}---\left(15\right)$

(4)对导航陀螺1输出的角速度数据ω₁′进行陀螺常值漂移补偿。补偿ε₁后的角速度数据记为ω₁″。

${\mathrm{\ω}}_1^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_1}{2}---\left(16\right)$

4、监控导航陀螺2

监控方法同3。

5、监控导航陀螺3

监控方法同3。

6、在SINS工作过程中，不断重复上述步骤3至5，直至导航结束。

Claims (3)

1、一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在捷联惯性导航系统SINS中除了安装三个导航陀螺以外，还安装一个附加陀螺，作为监控陀螺，该监控陀螺安装在一个转位机构上，通过转位机构，实现监控陀螺输入轴分别与其他三个导航陀螺输入轴正、反向的精确对准；

(2)捷联惯性导航系统SINS预热准备；

(3)SINS准备完毕，首先监控导航陀螺1，即转动监控陀螺，使监控陀螺输入轴与导航陀螺1的输入轴精确对准，采集监控陀螺和导航陀螺1输出的角速度数据，分别记为ω₀、ω₁；

(4)将监控陀螺翻转180度，使其输入轴与导航陀螺1的输入轴平行且反向，采集监控陀螺与导航陀螺1输出的角速度数据，分别记为ω₀′、ω₁′；

(5)根据上述两个陀螺的角速度数据ω₀、ω₁、ω₀′、ω₁′，计算导航陀螺1的常值漂移ε₁，其计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_1}{2}$

根据上式计算出的ε₁，对导航陀螺1输出的角速度数据ω₁′进行陀螺常值漂移补偿，补偿ε₁后的角速度数据ω₁″为：

${\mathrm{\ω}}_1^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_0^{\′}+{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_1}{2}$

(6)监控导航陀螺2，步骤同(3)、(4)、(5)；

(7)监控导航陀螺3，步骤同(3)、(4)、(5)；

(8)在SINS工作过程中，不断重复(3)至(7)，直至导航结束。

2、根据权利要求1所述的一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的ω₀、ω₁可表示为：

ω₀＝ωt₁+ε₀

ω₁＝ω_t1+ε₁

其中，ω_t1为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度；ε₀为监控陀螺常值漂移；ε₁为导航陀螺1的常值漂移。

3、根据权利要求1所述的一种在线实时消除捷联惯性导航系统陀螺常值漂移的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的ω₀′、ω₁′可表示为：

ω₀′＝-ω_t2+ε₀′

ω₁′＝ω_t2+ε₁′

其中，ω_t2为载体绕导航陀螺输入轴的转动角速度；ε₀′为监控陀螺常值漂移；ε₁′为导航陀螺1的常值漂移。

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