一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种误差系数标定方法，尤其设及一种基于双轴旋转的激光巧螺仪组 合误差系数分离方法，属于捷联惯性组合标定技术，可用于标定捷联惯性组合中巧螺仪组 合的场合。
【背景技术】
[0002] 巧螺仪是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，它安装在运载体内部， 用于测量运载体的运动角速度，并通过对角速度的积分，求得载体运动的角度。巧螺仪组合 的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度，对惯性系统的性能起着关键的作用。捷联 惯性组合是将巧螺仪组合和加速度计组合集成在一起并直接安装在运载体上的惯性测量 装置。捷联惯性组合在结构安装，惯性仪表W及系统的工程实现中各个环节都不可避免的 存在误差。通常由于存储、气候环境变化、运输及捷联惯性组合自身性能不稳定等因素的 影响，组合误差模型的某些误差系数会发生变化。解决的方法有两种；一是改进设计，工艺 及提高元器件的性能指标，对影响惯性系统精度的巧螺仪、加速度计、再平衡回路等采取相 应的措施使其在寿命周期内的变化小到可W满足要求；二是对系统进行定期标定。实践证 明，单纯通过第一种方法来提高惯性导航系统的精度变得越来越困难，成本也越来越高，而 采用第二种来提高系统的精度要容易得多，该是一种成本低、见效快的方法。目前通常采取 的是第二种方法，即对其进行重新标定。
[0003] 传统的重新标定方法是每隔一段时间后将惯性系统从运载体上拆卸下来，需要大 型的精密测试设备和专业人员的参与，工作量大、成本高、整个过程繁琐、费时。在民用领 域，其高成本影响了惯性系统的推广应用，在军事领域，笨重的地面设备和复杂的操作限制 了武器的机动性，制约了武器性能的提高，不利于部队在技术阵地和战备值班时的日常保 障和快速反应。
[0004] 在不拆卸惯导的前提下，为了确保系统的对准和导航精度，提高外场标定效率，需 要研究一种新型的基于双轴旋转的巧螺仪组合误差系数的分离方法。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是；克服现有技术的不足，提供一种基于双轴旋转的激光 巧螺仪组合误差系数分离方法，实现了惯性系统的定期自标定。
[0006] 本发明的技术解决方案是；一种基于双轴旋转的激光巧螺仪组合误差系数分离方 法，步骤如下：
[0007] 1)将捷联惯性组合安装在双轴旋转机构上；由捷联惯性组合及双轴旋转机构共 同组成双轴旋转惯性系统；
[000引 2)推导双轴旋转机构的运动学方程；建立双轴旋转惯性系统中巧螺仪组合的静 基座误差模型，进而得出双轴旋转机构的角速度误差方程；
[0009] 3)调整双轴旋转机构的基座，使得基座坐标系与地理坐标系重合；按照十六位置 转位方法依次旋转双轴旋转机构，旋转过程中，在十六个位置处停留时间大于60s;采集转 停全过程中巧螺仪组合的输出；
[0010] 4)对采集得到的数据使用卡尔曼滤波方法实现巧螺仪组合的误差系数的分离。
[0011] 步骤2)中双轴旋转机构的运动学方程为：
[0012]
【主权项】
1. 一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法，其特征在于步骤如下： 1) 将捷联惯性组合安装在双轴旋转机构上；由捷联惯性组合及双轴旋转机构共同组 成双轴旋转惯性系统； 2) 推导双轴旋转机构的运动学方程；建立双轴旋转惯性系统中陀螺仪组合的静基座 误差模型，进而得出双轴旋转机构的角速度误差方程； 3) 调整双轴旋转机构的基座，使得基座坐标系与地理坐标系重合；按照十六位置转位 方法依次旋转双轴旋转机构，旋转过程中，在十六个位置处停留时间大于60s ;采集转停全 过程中陀螺仪组合的输出； 4) 对采集得到的数据使用卡尔曼滤波方法实现陀螺仪组合的误差系数的分离。
2. 根据权利要求1所述的一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法，其 特征在于：步骤2)中双轴旋转机构的运动学方程为：
式中ωχρ、Wyp、ωζρ分别为陀螺仪组合绕本体坐标系的三个轴X、Y、Z的绝对角速度分 量；Ωη= ω iecosL，地球转速投影到地理坐标系中的北向分量；Ω u= ω iesinL， 地球转速投影到地理坐标系中的天向分量；为地球自转角速度；L为对捷联惯性组合进 行测试的地点的地球炜度；α为双轴旋转机构内环轴的旋转角；V为双轴旋转机构外环轴 的旋转角；?为双轴旋转机构内环轴的角速度，> 为双轴旋转机构外环轴的角速度； 双轴旋转惯性系统中陀螺仪组合的静基座误差模型为：
式中Λ ωχρ、Λ ?yp、Λ ωζρ为陀螺仪组合的测量误差；ω x、《y、ωζ为陀螺仪组合经补偿 得到的角速度输出值；S Dta、δ Dtly和δ Dtlz为陀螺仪组合的零次项偏差；δ kgx、δ kgy和δ kgz 为陀螺仪组合的标度因数偏差；S EyxS X轴相对于Y轴的安装误差角偏差；δ E ZXS X轴相 对于Z轴的安装误差角偏差；δ ExyS Y轴相对于X轴的安装误差角偏差；δ E "为Y轴相对 于Z轴的安装误差角偏差；δ ExzS Z轴相对于X轴的安装误差角偏差；δ E YZS Z轴相对于 Y轴的安装误差角偏差； 双轴旋转机构的角速度误差方程为：
式中Δ?为双轴旋转机构内环轴的角速度误差，Δ户为双轴旋转机构外环轴的角速度 误差；△ α为双轴旋转机构内环轴的旋转角误差；△ β为双轴旋转机构外环轴的旋转角误 差。
3. 根据权利要求1所述的一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法，其 特征在于步骤3)中十六位置转位方法的位置分别为： 位置1 :基座坐标系与地理坐标系重合时，记录此时的内环轴旋转角α (1)和外环轴旋 转角Ml); 位置2 :调节旋转机构使内环轴旋转角度a (2) = a (1)+90°，外环轴旋转角度β (2) =β⑴； 位置3:调节旋转机构使内环轴旋转角度a (3) = a (1)+180°，外环轴旋转角度 β (3) = β (I)； 位置4:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (4) = a (1)+270°，外环轴旋转角度 β (4) = β (I)； 位置5:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (5) = α (I)，外环轴旋转角度β (5)= β (1)+180° ； 位置6 :调节旋转机构使内环轴旋转角度α (6) = a (1)+90°，外环轴旋转角度β (6) =β (1)+180° ； 位置7:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (7) = a (1)+180°，外环轴旋转角度 β (7) = β (1)+180° ； 位置8:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (8) = a (1)+270°，外环轴旋转角度 β (8) = β (1)+180° ； 位置9 :调节旋转机构使内环轴旋转角度α (9) = a (1)+90°，外环轴旋转角度β (9) =β (1)+90° ; 位置10:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (10) = a (1)+270°，外环轴旋转角度 β (10) = β (1)+90° ; 位置11 :调节旋转机构使内环轴旋转角度α (11) = α (I)，外环轴旋转角度β (11)= β (1)+90° ; 位置12:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (12) = a (1)+180°，外环轴旋转角度 β (12) = β (1)+90° ; 位置13:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (13) = a (1)+270°，外环轴旋转角度 β (13) = β (1)+270° ; 位置14:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (14) = a (1)+90°，外环轴旋转角度 β (14) = β (1)+270° ; 位置15:调节旋转机构使内环轴旋转角度α (15) = a (1)+180°，外环轴旋转角度 β (15) = β (1)+270° ; 位置16 :调节旋转机构使内环轴旋转角度α (16) = α (I)，外环轴旋转角度β (16)= β (1)+270° 〇
4. 根据权利要求2所述的一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法，其 特征在于：所述步骤4)中卡尔曼滤波器状态方程如下 x = A,k-,x+wk 其中： X = [ δ D0x, δ D0y, δ D0z, δ kgx, δ kgy, δ kgz, δ Εγχ, δ Ezx, δ Εχγ, δ Εζγ, δ Exz, δ Εγζ, Δ α , Δ β]; Φ k,η = [〇 14χ 12, F1' F2T]τ为t η时刻到t k时刻的一步转移矩阵，W k为白噪声；k为正整 数； F1= [0 1X2, I, Oix2, ωζ, 〇1χ4, ωχ, oy, 〇, Ωncos β + Ωusin β ] F2= [cos α，-sin α，〇，ω xcos α，- ω ysin α，〇，ω ycos α，ω zcos α，- ω xsin α，- ω zsi η α , 〇ιχ2. "(wXPsin α +?ypcosa ),〇] 卡尔曼滤波器量测方程如下： Zk=HkXk+Vk 其中，Hk为量测矩阵，Vk为量测噪声序列； 当双轴旋转机构处于静止位置时，量测向量为： Zk_gyro_l= [Δ α , Δ β ] 量测矩阵为： Hk-gyro-1 - [〇 2X12，工2] I表示单位矩阵； 双轴旋转机构处于转动过程时，量测向量为： Zk_gyr〇_2= [ 5 k gx, δ kgy, δ kgy, δ Εγχ, δ Ezx, δ Exy, δ Εζγ, δ Exz, δ Εγζ, Δ α , Δ β ] 量测矩阵为：
【专利摘要】一种基于双轴旋转的激光陀螺仪组合误差系数分离方法，首先将捷联惯性组合安装在双轴旋转机构上；由捷联惯性组合及双轴旋转机构共同组成双轴旋转惯性系统；其次推导双轴旋转机构的运动学方程；建立双轴旋转惯性系统中陀螺仪组合的静基座误差模型，进而得出双轴旋转机构的角速度误差方程；调整双轴旋转机构的基座，使得基座坐标系与地理坐标系重合；按照十六位置转位方法依次旋转双轴旋转机构；采集转停全过程中陀螺仪组合的输出；最终对采集得到的数据使用卡尔曼滤波方法实现陀螺仪组合的误差系数的分离。本发明适用于双轴旋转惯性系统在静基座条件下自主标校捷联惯性组合中陀螺仪组合误差系数的场合，避免了系统定期拆卸带来的繁琐、复杂的操作。
【IPC分类】G01C19-64, G01C25-00
【公开号】CN104880182
【申请号】CN201510272131
【发明人】魏宗康, 黄超
【申请人】北京航天控制仪器研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月25日