多源组合导航系统分布式惯性节点全误差在线标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了多源组合导航系统分布式惯性节点全误差在线标定方法，属于分布 式惯性节点系统误差标定的技术领域。
【背景技术】
[0002] 惯性传感器网络，参见文献〈Inertial sensor technology trends〉（Barbour N, Schmidt G. Sensors Journal, IEEE, 2001，1 (4) : 332-339.)，是基于分布式惯性传感 器，综合了网络拓扑、惯性器件、惯性导航、卡尔曼滤波等技术的一种新型应用，参见文献 《MEMS和导航级MEMS惯性传感器》（王忆锋·飞航导弹，2008(8).)、文献〈Principles of GNSS,inertial, and multisensor integrated navigation systems〉（Groves P D. 2013.)。惯性传感器网络中各惯性传感器（陀螺和加速度计）分布在飞行器的不同位 置，提供飞行器不同位置的连续、可靠的导航信息，提高装载的传感器（如磁导航、卫星接 收机、天文导航、景象匹配导航子系统）的整体性能，从而增强飞行器的可靠性和综合性 能。上世纪九十年代，Kelley提出惯性网络系统的概念，参见文献〈Integrated inertial network〉(Kelley R T, Carlson N A, Berning S.);此后，更多的人对分布式惯性网络的 数据融合技术进行了深入研究，参见文献〈Distributed data fusion algorithms for inertial network systems〉(Allerton D.J.，Jia H·)。分布式惯性导航系统与多传感器 配置构成了分布式多源组合导航系统，能够大大增强飞行器的可靠性与生存能力。
[0003] 提高捷联惯性导航系统导航精度的关键在于提高陀螺惯性器件的精度，然而当惯 性器件达到一定精度之后，想继续通过简单的加工、装配及调试来大幅度提高惯性器件的 精度已经不太现实，并且投入的成本将随之大幅增加。采用惯性器件和系统级的误差建模 和补偿技术，通过建立高精度的惯性器件和系统误差模型进一步提高捷联惯性导航系统性 能。捷联惯性组合系统具体使用过程中，惯性传感器误差参数通常采用离线标定方式获得， 参见文献《激光捷联惯组的双轴位置转台标定仿真》（严恭敏，秦永元.中国惯性技术学 报，2007, 15(1) :123-127.)但是飞行器在飞行过程中，发动机工作时的高频振动和外界气 流干扰等影响因素将导致惯性传感器安装误差及刻度因子误差参数发生变化；此外，随机 常值误差参数亦会随着时间的推移相对于原始标定值产生较大差异，考虑到重新离线标定 繁琐的工作量和巨大的成本投入，因此对惯性组合导航系统误差进行在线标定和补偿成为 提高导航精度的首要选择。
[0004] 在惯性组合导航研究领域，惯性传感器误差在线标定技术是影响系统精度的重要 关键技术，国外很多的专家学者已经对其进行了相关的研究和探索。美国于上世纪80年 代就已经展开对陀螺误差在线标定技术的研究，近几年主要集中于MEMS陀螺标定技术的 研究，采用的方法主要有扩展卡尔曼滤波、改进的多位置标定法、矩阵分解和最小二乘法 等，标定的误差主要有惯性传感器零偏误差、刻度因子误差、安装误差、失准角误差等，参 见文献〈Calibration Technique for a Laser Gyro Strapdown Inertial Navigation System)(Brown Alison, Ebner Robert, Mark John. Conference Proceedings-Symposium Gyro Technology, 1982, 12. 0-12. 20.)，加拿大、德国、伊朗、葡萄牙、瑞士等国家也针对不 同的辅助导航系统分别提出了不同的系统标定方法，如文献〈Accuracy Improvement of Low Cost INS/GPS for Land Applications) (Shin E H, El-Sheimy N. University of Calgary, Department of Geomatics Engineering, 2001·)。上述的标定方法主要是利用惯 性器件的输出进行导航解算，以导航误差作为观测量来标定系统的误差参数，代表着在线 标定技术的发展方向。一般的研究中，都假设传感器安装在飞行器质心，而分布式惯性传感 器组件配置在飞行器的不同位置，此时若采用安装在质心的主导航系统提供全载体各个位 置的基准信息，显然不能准确的反映各个位置的实际情况。一般的在线标定算法很少对分 布式IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）系统如何标定做研究。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了多源组合导航系 统分布式惯性节点全误差在线标定方法，实现了分布式MU的在线标定，解决了和传统标 定方法一样假设分布式惯性传感器安装在飞行器质心，采用安装在质心的主导航系统提供 全载体各位置基准信息不能准确反映各位置的实际情况的技术问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 多源组合导航系统分布式惯性节点全误差在线标定方法，包括如下步骤：
[0008] A、建立包含安装误差、刻度因子误差和随机常值误差的主节点惯性器件测量误差 模型以计算主节点惯性器件的误差参数；
[0009] B、构建基于全误差模型的卡尔曼滤波器对主节点惯性器件的误差参数进行在线 标定，所述卡尔曼滤波器采用包含惯性器件安装误差、刻度因子误差、随机常值误差的卡尔 曼滤波模型对主节点惯性器件的误差参数进行在线估计；
[0010] C、由卡尔曼滤波模型估计的主节点惯性器件误差参数对主节点惯性器件输出的 测量值进行误差补偿得到主节点惯性器件输出的估计值；
[0011] D、量测子节点陀螺输出，并由主节点陀螺输出的估计值转换得到子节点陀螺输出 的估计值，进而确定子节点陀螺误差参数；
[0012] E、量测子节点加速度计输出，并由主节点加速度计输出的估计值转换得到子节点 加速度计输出的估计值，进而确定子节点加速度计误差参数。
[0013] 作为所述多源组合导航系统分布式惯性节点全误差在线标定方法的进一步优化 方案，步骤A中所述包含安装误差、刻度因子误差和随机常值误差的主节点惯性器件测量 误差模型，包括：
[0014] 陀螺测量误差模型 以及，
[0015] 加速度计测量误差模型
[0016] 其中，由1 ?b分别为主节点陀螺输出的测量值、理想值，
<、r^、W分别为主节点陀螺X轴、Y轴及Z轴输出的理想值，δ心为主节点陀螺刻度因子 误差矩阵，
：分别为主节点陀螺X轴、Υ轴 及Z轴的刻度因子误差，δ G为主节点陀螺安装误差矩阵，
SGX、SGy、分别为主节点陀螺X轴、Y轴及Z轴的安装误差，ε 主节点陀螺随机常值 误差矩阵，ε b=[ ε bx ε by ε bz]T，ε bx、ε by、ε bz分别为主节点陀螺X轴、Y轴及Z轴的随 机常值误差，、fb分别为主节点加速度计输出的测量值、理想值，
#分别为主节点加速度计X轴、Y轴及Z轴输出的理想值，δ KA为主节点加速 度计刻度因子误差矩阵，
分别为主 节点加速度计X轴、Y轴及Z轴的刻度因子误差，δ A为主节点加速度计安装误差矩阵，
,δΑχ、δΑγ、δΑ ζ*别为主节点加速度计X轴、Y轴及Z轴的 安装误差，为主节点加速度计随机常值误差矩阵，
分别为主节点加速度计X轴、Y轴及Z轴的随机常值误差。
[0017] 作为所述多源组合导航系统分布式惯性节点全误差在线标定方法的进一步优化 方案，步骤B中所述包含惯性器件安装误差、刻度因子误差、随机常值误差的卡尔曼滤波模 型，具体包括：
[0018] 状态方程：
[0019] 量测方程：Z = HX+V，
[0020] 其中，龙为状态量估计值、Z为主节点速度、位置、姿态的量测值， X、W、Η、V分别为状态矢量、白噪声随机误差矢量、量测矩阵、量测噪声阵，
外、Αν、备，为三维平台误差角，δνΕ、δνΝ、δνυ为三维速度误差，SL、δ λ、δ?ι为炜度、 经度和高度误差，W=[wgx wgy wgz wax way '\01'，'\^、'\^、'\^分别为父轴、￥轴及2轴 陀螺白噪