一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法

文档序号:9862775阅读:584来源:国知局
一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法
【技术领域】:
[0001] 本发明设及惯性导航系统领域,特别是一种恒速偏频/机抖激光巧螺惯导系统导 航方法。
【背景技术】:
[0002] 单轴旋转调制技术可W平均调制与旋转轴垂直的惯性器件误差,对于旋转轴轴向 的器件误差,有学者采用在线标定与补偿的方法,但标定时间普遍较长,无法满足快速性要 求。速率偏频激光巧螺惯导系统方案不仅可W克服机械抖动偏频激光巧螺过锁区随机游走 误差影响,而且正反转的方式还能抵消与偏频旋转轴方向巧螺标度因数误差相关的等效漂 移误差,提高惯导系统精度,但正反转交替旋转的偏频方式要求偏频机构瞬间反转,实现难 度大。恒速偏频方式可实现高精度的寻北,但由于偏频机构W恒定角速率旋转,造成与偏频 旋转轴方向巧螺标度因数误差相关的等效漂移误差,纯惯性导航误差大。因此,寻找一种单 轴恒速偏频旋转且能抑制偏频旋转轴方向巧螺标度因素误差的惯导系统方案具有重要意 义。

【发明内容】

[0003] 本发明针对现有的单轴恒速偏频激光巧螺导航系统不能解决偏频旋转轴方向巧 螺标度因素误差的问题,提出了一种恒速偏频/机抖激光巧螺惯导系统导航方法。该方案在 Ξ个巧螺、Ξ个加速度计构成的高精度激光巧螺恒速偏频寻北系统的基础上,增加一个不 随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光巧螺,用于敏感偏频旋转轴方向的载 体角运动,避免了沿恒速偏频旋转轴方向的巧螺标度因数误差造成的姿态误差积累。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用W下技术方案:
[0005] -种恒速偏频/机抖激光巧螺惯导系统导航方法,其步骤为:
[0006] 步骤一:机械抖动偏频激光巧螺安装:在Ξ个巧螺(gx、gy、gz )、Ξ个石英晓性加速 度计(ax、ay、az)构成的高精度激光巧螺恒速偏频寻北系统的基础上,安装一个不随偏频机 构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光巧螺gdz,其敏感轴与旋转轴一致,提供偏频旋 转轴方向的载体角运动信息;
[0007] 步骤二:坐标系及安装关系定义:
[000引定义η系为当地水平地理坐标系,N-E-D(北-东-地)方向;
[0009] bg系为斜装的恒速偏频IMU(惯性测量单元)坐标系,其轴与gj它螺敏感轴重合, 轴在gx巧螺与gy巧螺敏感轴所确定的平面内且gy巧螺敏感轴方向偏离·%轴一个小的安 装偏差角,\轴方向符合右手规则且gz巧螺敏感轴方向偏离\轴一个小的安装偏差角;
[0010] b系为变换后的IMU坐标系,采用前-右-下方向,Zb轴与恒速偏频旋转轴重合,a轴、 yb轴与偏频旋转轴正交,xb轴与轴及Zb轴在同一平面内,与η系间的方向余弦矩阵为C ;
[0011] bg系、b系固联于旋转台面中并随转台连续转动,转速Ω(转台旋转轴指向下方J员 时针方向为正),周期T,t时刻与转台零位夹角a(t);
[0012] bp系为转台台体坐标系,与b系在t = 0时刻重合,与η系间的方向余弦矩阵为
[0013] (芳为6系与bp系之间的转换矩阵,可由a(t)表示为:
[0014]
(I)
[0015] 步骤Ξ:偏频旋转轴方向等效巧螺采样值计算:
[0016] b系下偏频旋转轴方向敏感角速率可表示为,
[0017]
(2)
[0018] 式中,6^是b系下载体角速度,bp系中机械抖动激光巧螺敏感轴单位矢量为[kdx kdy kdz]T,其敏感角速率理论值为Qdz,上标T表示向量或矩阵的转置,At是采样时间间隔; [0019]由式(2)积分可得相应的巧螺角增量采样值,根据b系中恒速偏频激光巧螺IMU提 供的垂直于旋转轴的角增量
,固联于bp系中的机抖巧螺的角增量
I偏频旋转机构的角位置a(t)和角增量Aa(t),可计算出b系沿偏频旋转轴方向的 角增量
[0020] 步骤四:精确标校bg系与b系之间的安装关系矩阵cj*:;设置bg系Ξ个恒速偏频激光 巧螺工作在机械抖动偏频模式下,利用水平姿态角γ (滚动角)和Θ(俯仰角)的计算结果对 cts进行精确标校;
[0021] 步骤五:精确标校机械抖动激光巧螺敏感轴的单位矢量比dx kdy kdz]:设置Ξ个恒 速偏频激光巧螺工作在机械抖动偏频模式下,cj·保持不变时有:
[00 剖
(3)
[0023] 式中,0)?.表示bp系的旋转角速率;
[0024] 整个惯导系统按照不同的倾斜方式置于单轴转台上,单轴转台正反方向旋转,消 除地球自转角速度及巧螺常值漂移误差影响,根据油即 可估计出参数[kdx kdy kdz];
[0025] 步骤六:初始对准卡尔曼滤波器设计:
[0026] 选取Ξ个姿态误差(Φν、Φε、Φο)和Ξ个速度误差(SVn、SVe、SVd)作为误差状态,器 件误差中,选取Ξ个加速度计零偏(《/?、心/,6、作为误差状态,选取偏频旋转轴方 向等效巧螺采样值常值零偏&邊、偏差禪合造成的北向等效巧螺漂移εν作为误差状态,即
[0030] 式中,X表不系统误差状态,X表不系统误差状态微分,F表不系统误差矩阵,G表不 系统噪声输入矩阵,W表不系统噪声:
[0031] w=[wgx Wgy Wgz Wax Way Waz]^ (6)
[0032] 式中,Wgx、Wgy和Wgz为巧螺测量噪声,Wax、Way、Waz为加速度计测量噪声;
[0033] 选取η系下速度误差SVn、SVe和SVd作为观测量,构建观测方程如下:
[0034] z = Hx+u (7)
[0035] 式中,Z为观测量,Η为测量矩阵,U为测量噪声;
[0036] 步骤屯:纯惯导误差修正补偿:
[0037] 利用初始对准卡尔曼滤波对S/f、如;&、和ΕΝ的估计值,在纯惯导过 程中进行修正补偿,完成导航解算,修正补偿方法如下:
[0041] 步骤Ξ中偏频旋转轴方向等效巧螺采样值计算中64求解方法为:
[0042] 机抖巧螺敏感角速率理论值可表示为:
[0046] 把式(1)代入式(12)变换后可得诚,的表达式。
[0047] 步骤四中所述的精确标校方法为:
[004引设真实的IMU坐标系为b/系,则有:
[0049]
(B)
[0化0]式中,^是6。与η系间的方向余弦矩阵的真实值,可表示为:
[0051 ]
(14)
[0052] 巧是b/系与η系间的方向余弦矩阵,可表示为:
[0化3]
(")
[0化4] 将式(14)和(15)代入式(13)两边同时消去<^得:
[0化5]
(16)
[0056] 设ξχ和ξγ为b系和1/系之间的转换的小角度偏差,则
[0057]
巧巧
[005引将式(1)和式(17)代入式(16)解得:
[0059]
(1巧
[0060] 静基座下分别选取α(t) = 0和α(t) =31两个时刻,从而解得:
[0061]
(19)
[0062] 则可根据式访=好€;6对好进行精确标校。
[0063] 步骤六中所述初始对准卡尔曼滤波器设计中系统状态方程和观测方程构建方法 为:
[0064] 系统状态方程构建如下:
[00化]
巧巧
[0066] 式中,φη=[φΝ Φε Φο]τ代表失准角,产表示η系下的比力值,ω;是η系的旋转角 速率;
[0067] 根据系统误差方程得到的系统状态方程i = Fx + Gw中系统误差矩阵F和系统噪声 输入矩阵G相应为:
[0070] 卡尔曼滤波观测方程构建如下:
[0071] 观测量z = [δVN δVD]τ,贝lJ在观测方程z = Hx+u中:
[0072]
(巧)
[0073] υ = |>Ν 化化]Τ。 (24)
[0074] 与现有技术相比,本发明具有W下优点:
[0075] (1)在Ξ个巧螺Ξ个加速度计构成的高精度激光巧螺恒速偏频寻北系统的基础上 增加一个不随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光巧螺,改善偏频轴方向载 体角速度测量精度,采用单轴恒速偏频旋转方式,避免了速率偏频技术要求偏频机构瞬间 反转的难点;
[0076] (2) W姿态角误差、速度误差、加速度计零偏、偏频旋转轴方向巧螺漂移和偏差禪 合造成的北向等效巧螺漂移为误
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