一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法
【专利摘要】本发明提出一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，实现简便，运算量低，适合工程应用。第一步：在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转；第二步：在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值；第三步：在每一采样周期根据旋转机构角位置传感器输出值求出载体坐标系和IMU坐标系之间的方向余弦矩阵；第四步：根据IMU姿态矩阵估计值和载体坐标系与IMU坐标系之间的方向余弦矩阵求出当前采样时刻载体姿态矩阵的估计值；第五步：对粗对准过程各时刻求得的载体姿态矩阵估计值求平均值，得到载体姿态矩阵的最终估计值。
【专利说明】一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法
【技术领域】
[0001]本发明属于捷联式惯导系统【技术领域】，涉及一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法。
【背景技术】
[0002]捷联式惯导系统的初始对准过程分为两个阶段:粗对准与精对准。粗对准的主要任务是估计姿态矩阵的近似值，为捷联惯导系统提供一个基本参考数学平台；在精对准阶段进一步通过状态滤波等方法估计出姿态矩阵的误差，从而得到更精确的数学平台，在此基础上进行导航解算。粗对准的精度会影响到精对准的收敛速度和精度，进而影响导航解算的精度，因此提高粗对准精度对惯性导航系统性能具有重要意义。
[0003]传统的解析式粗对准根据陀螺仪和加速度计的输出计算载体的姿态矩阵初值，但当载体受到震荡等随机干扰时，惯性器件输出信噪比降低，对准精度下降。以往的研究利用基于凝固惯性坐标系的粗对准方法通过积分运算抑制载体振荡干扰信号，但加速度计输出中除了扰动误差外还含有零偏误差，随积分积累仍会导致粗对准精度降低。而扰动误差的补偿又依赖于上述积分过程，所以捷联惯导的凝固惯性系粗对准方法存在一定局限。
[0004]近年来基于惯性测量单元(MU)旋转的误差补偿技术在惯性导航领域得到广泛应用。旋转式惯导系统具有与平台式惯导相似的环架，通过MU旋转抑制系统误差积累；同时旋转机构也给IMU提供了可控的角运动特性，可以辅助改善旋转式惯导初始对准可观测性。对于静基座载体的粗对准，在传统解析法粗对准的应用中，通常使用多次测量求平均值的方法以提高精度。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，利用IMU旋转调制惯性器件的零偏，再通过求平均值过程中隐含的积分运算补偿零偏对精度的影响，该方法实现简便，运算量低，适合工程应用。
[0006]一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，包括以下步骤:
[0007]第一步:在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转;
[0008]第二步:在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值；
[0009]第三步:在每一采样周期根据旋转机构角位置传感器输出值求出载体坐标系和IMU坐标系之间的方向余弦矩阵；
[0010]第四步:根据IMU姿态矩阵估计值和载体坐标系与IMU坐标系之间的方向余弦矩阵求出当前采样时刻载体姿态矩阵的估计值；
[0011]第五步:对粗对准过程各时刻求得的载体姿态矩阵估计值求平均值，得到载体姿态矩阵的最终估计值。
[0012]第一步中所述的旋转方案选择下述方案之一:[0013]a.内环轴、外环轴单向连续旋转；
[0014]b.内环轴、外环轴连续旋转，每旋转一周改变转向；
[0015]c.内环轴、外环轴单向交替旋转，每个轴旋转一周则停止同时开始旋转另一轴，如此循环往复；
[0016]d.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后停止，然后由第二轴旋转一周，然后再由第一轴在反向旋转一周，然后再由第二轴反向旋转一周，如此循环往复；
[0017]e.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后再反向旋转一周，然后停止，然后由第二轴旋转一周后再反向旋转一周，如此循环往复；
[0018]其中方案a、c只有能在旋转惯导系统的旋转平台含有导电滑环的情况下使用，而且当IMU存在标度因数误差和安装误差的情况下因耦合产生新误差则不能采用。
[0019]上述各方案中内环轴、外环轴分别以恒定角速率ωι、ω2旋转，ω,Ρ ?2的范围为0.6° / s—60° / S。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明利用多次测量求平均值运算中隐含的等效积分过程将基于旋转调制的误差抑制技术引入粗对准环节，以改善解析法粗对准的精度。对于静基座载体的粗对准，在旋转调制的过程中的每一采样周期进行粗对准，再通过求平均值运算补偿零偏对粗对准精度的影响。仿真实验表明，在静基座条件下旋转式解析法粗对准相对于传统方法可以显著改善粗对准精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为静基座粗对准仿真实验失准角示意图。
【具体实施方式】
[0023]解析法粗对准所求姿态矩阵为导航坐标系(东北天地理坐标系)η与IMU坐标系ρ或载体坐标系b之间的方向余弦矩阵 <::或.:.其中ρ系与b系的坐标轴分别指向IMU或载体的右、前、上方向。具体方法是分别将两个坐标系下的三个矢量(重力引起的比力矢量、地球自转角速度矢量及二者叉积)组成的矩阵相乘，得到姿态矩阵。旋转式惯导系统中，解析法粗对准的计算式如下:
[0024]
【权利要求】
1.一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转； 第二步:在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值； 第三步:在每一采样周期根据旋转机构角位置传感器输出值求出载体坐标系和MU坐标系之间的方向余弦矩阵； 第四步:根据頂U姿态矩阵估计值和载体坐标系与MU坐标系之间的方向余弦矩阵求出当前采样时刻载体姿态矩阵的估计值； 第五步:对粗对准过程各时刻求得的载体姿态矩阵估计值求平均值，得到载体姿态矩阵的最终估计值。
2.如权利要求1所述的一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，其特征在于，第一步中所述的旋转方案选择下述方案之一:a.内环轴、外环轴单向连续旋转；b.内环轴、外环轴连续旋转,每旋转一周改变转向； c.内环轴、外环轴单向交替旋转,每个轴旋转一周则停止同时开始旋转另一轴,如此循环往复； d.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后停止，然后由第二轴旋转一周，然后再由第一轴在反向旋转一周，然后再由第二轴反向旋转一周，如此循环往复； e.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后再反向旋转一周，然后停止，然后由第二轴旋转一周后再反向旋转一周，如此循环往复； 其中方案a、c只有能在旋转惯导系统的旋转平台含有导电滑环的情况下使用，而且当IMU存在标度因数误差和安装误差的情况下因耦合产生新误差则不能采用。
3.如权利要求2所述的一种基于旋转调制的静基座惯性导航系统粗对准方法，其特征在于，上述各方案中内环轴、外环轴分别以恒定角速率ωρ ω2旋转，Co1和《2的范围为.0.6。/ s—600 / S0
【文档编号】G01C21/20GK103591960SQ201310565856
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】邓志红, 王博, 付梦印, 周元, 刘彤 申请人:北京理工大学