一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，属于旋转式惯导系统姿 态补偿技术领域，适用于补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出精度，特别适合对惯导系统短 期姿态精度要求较高的应用场合。
【背景技术】
[0002] 惯导系统通过正交安装的=轴巧螺仪和加速度计测量载体相对于空间的角速度 和加速度，并基于航位推算原理给出载体实时的位置、速度和姿态信息。在惯导系统中，巧 螺漂移和加计零偏是影响导航性能的关键因素，无论是平台式惯导还是捷联式惯导，都存 在导航误差随时间累积的问题。
[000引旋转式惯导系统通过旋转机构带动IMUQnedial Measurement化it,惯性测量 单元）绕着某个坐标系按照既定方案旋转，使得惯性组件的常值误差在该坐标系内的投影 呈周期振荡形式，而周期振荡误差在一个旋转周期内积分结果为零，因此惯性组件的常值 误差对导航结果的影响得到抑制，系统精度得到大幅提升。
[0004] 单轴旋转惯导系统通过单一旋转轴的正反旋转可W抑制水平两轴的巧螺漂移和 加计零偏。目前的文献中已有大量实验结果表明单轴旋转惯导系统可W将位置和速度精度 提高约一个数量级，但是实际系统在使用中姿态输出的精度可能并未提高，甚至会变得更 差，文献对该方面的研究不多见；而且对于旋转惯导系统的姿态补偿主要是基于对惯性器 件与旋转轴W及惯性器件之间的安装偏角的标定，对角度传感器（例如码盘或光栅等）的 误差和旋转轴的不规律转动的补偿研究较少。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，可W有效补偿单轴旋转 惯导系统中姿态输出中的波动，大幅提高姿态精度。利用Z巧螺积分的角度作为基准修正 码盘输出的转角，给出了航向角的补偿信息；利用X、y加速度计扣除初始俯仰角、横滚角带 来的重力加速度投影后的剩余分量修正旋转轴的不规律转动，给出了俯仰角和横滚角的补 偿信息；结合该些补偿信息和具体的补偿算法从而实现了对单轴旋转惯导系统的姿态输出 补偿。
[0006] 本发明的解决技术方案；一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，步骤如 下：
[0007] 步骤（1);在Z巧螺输出的角速度中扣除地球自转角速度分量和巧螺漂移，经积分 后得到角度；
[000引步骤（2);将Z巧螺积分角度与码盘输出的转角作差，对该差值进行拟合可构造航 向角的补偿量；
[0009] 步骤（3);利用X、y加速度计的输出和初始对准得到的俯仰角、横滚角，扣除重力 加速度投影，进而构造俯仰角和横滚角的补偿量；
[0010] 步骤（4):根据姿态输出补偿算法补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出。
[0011] 进一步的，步骤（1)中Z巧螺输出的角速度可由公式（1)给出：
[0012] 〇尸 0 + 0 ie sin L+ e Z
[001引 （1)
[0014] 〇N= -w + w ie sin L+ e z
[0015] 式中，《为单轴旋转惯导系统的旋转角速度，《。为正转时z巧螺输出的角速度， 为反转时Z巧螺输出的角速度，《 k为地球自转角速度，L为当地地理绅度，e Z为Z巧 螺漂移。
[0016] 将公式（1)中Up与《湘加除2后取平均，可得到Z巧螺输出中需要扣除的地球 自转角速度分量和巧螺漂移之和&，由公式（2)给出：
[0017]
【主权项】
1. 一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤（1);在Z巧螺输出的角速度中扣除地球自转角速度分量和巧螺漂移，经积分后得 到角度； 步骤（2):将Z巧螺积分的角度与码盘输出的转角作差，对该差值进行拟合可构造航向 角的补偿量； 步骤（3);利用x、y加速度计的输出和初始对准得到的俯仰角、横滚角，扣除重力加速 度投影，进而构造俯仰角和横滚角的补偿量； 步骤（4);根据姿态输出补偿算法补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出。
2. 根据权利要求1所述的一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，其特征在于： 所述步骤（l)z巧螺输出的角速度由公式（1)给出：
式中，《为单轴旋转惯导系统的旋转角速度，为正转时Z巧螺输出的角速度， 为反转时Z巧螺输出的角速度，为地球自转角速度，L为当地地理绅度，e ,为Z巧螺漂 移； 将公式（1)中与《湘加除2后取平均，得到Z巧螺输出中需要扣除的地球自转角 速度分量和巧螺漂移之和1&，由公式（2)给出：
(2) 在Z巧螺输出中扣除;并积分，可得正转和反转时Z巧螺积分角度秘与口W:
将焊与巧V合在一起即得到Z巧螺积分的角度。
3. 根据权利要求1所述的一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，其特征在于： 所述步骤（2)中将Z巧螺积分的角度与码盘输出的转角口作差，对差值:A口按公式（4)进 行拟合：
根据拟合参数a、b、c可修正码盘输出的转角，作为航向角的补偿信息。
4. 根据权利要求1所述的一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，其特征在于： 所述步骤（3)中根据初始对准得到的俯仰角和横滚角，按公式（5)扣除X、y加速度计上的 重力加速度投影：
式中，a,、ay为x、y加速度计的输出，g为当地重力加速度，0。、丫。为初始对准得到的
俯仰角和横滚角，a' y、a' y为扣除重力加速度投影后的剩余分量，进而通过公式（6)构造 俯仰角和横滚角的补偿量：
式中，5 0为俯仰角补偿信息，5 丫为横滚角补偿信息。
5.根据权利要求1所述的一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，其特征在于： 所述步骤（4)中的姿态输出补偿算法具体过程为： 根据巧螺的输出诚和上一解算周期的姿态矩阵按公式（7)和公式（8)计算巧;,：
式中，却'.=[0 COS L巧,.sin y'，为地球自转角速度在导航坐标系中的投影；
，为位移角速度在导航坐标系中的投影，其中Vi、Vy为载体 的东向速度和北向速度，R为地球半径；根据巧和四元数姿态微分方程即可实现姿态矩阵 的更新； 根据步骤（2)得到的拟合模型，修正码盘的转角炒=- (G + A sin户+ e cos如)，按公 式（9)构建矩阵G :
根据步骤（3)得到的5 0、5 丫，按公式（10)构建矩阵Cf :
根据更新后的姿态矩阵G和公式（9)给出的G、公式（10)给出脚G'，按公式（11) 计算矩阵仁^
(11) 根据矩阵和公式（12)得到单轴旋转惯导系统经过补偿后的输出姿态：
式中，0为俯仰角，丫为横滚角，1]^为航向角，Cy, i, j = 1，2, 3为矩阵马'中的各元 素。
【专利摘要】本发明公开了一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，步骤如下：在z陀螺输出的角速度中扣除地球自转角速度分量和陀螺漂移，经积分后得到角度；将z陀螺积分的角度与码盘输出的转角作差，对该差值进行拟合可构造航向角的补偿量；利用x、y加速度计的输出和初始对准得到的俯仰角、横滚角，扣除重力加速度投影，进而构造俯仰角和横滚角的补偿量；根据姿态输出补偿算法补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出。该姿态输出补偿算法易于实现，不仅可以满足工程应用的实时性要求，而且可大幅提升单轴旋转惯导系统的姿态输出精度，对提高单轴旋转惯导系统的导航性能具有重要意义。
【IPC分类】G01C21-16, G01C25-00
【公开号】CN104596546
【申请号】CN201510041161
【发明人】李魁, 高鹏宇, 王玮, 王灵草, 陈刚
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月27日