0161] 3)用本专利提出的方案进行初始对准及纯惯性导航实验，进行验证评估。
[0162] 初始对准水平姿态角收敛曲线如图2、图3,其中（a)为用本文方法精确标校后 的结果，（b)为原标校方法的结果。皆精确标校后，水平姿态角收敛曲线波动从10角秒减小 到3角秒，从而有效地改善了初始对准水平姿态角精度。
[0163] 方位角收敛曲线如图4,粗实线是采用本专利提出的改进的卡尔曼滤波初始对准 算法，细实线是采用标准卡尔曼滤波初始对准算法。
[0164] 5组数据初始对准10分钟方位角结果如表1所示：
[0165] 表1 5组数据初始对准10分钟方位角结果
[0166] _
W]~由图4和表1可知，本专利提出的初始对准算法不仅能有效地减小方位角周期性波I 动幅度，且lOmin精度优于10角秒。
[0168] 图5、图6和图7中，粗实线是20分钟初始对准补偿加速度计零偏、偏差禪合的北向 等效巧螺漂移和预先标定补偿偏频旋转轴方向巧螺漂移后的纯惯导4小时结果。细实线是 10分钟初始对准仅补偿加速度计零偏的纯惯导4小时结果。由图7可W看出，补偿巧螺漂移 后北向位置误差最大值从774米减小到96米，东向位置误差最大值从252米减小到89米。
[0169] 5组数据纯惯导4小时位置误差最大值如表2所示：
[0170] 表2 5组数据纯惯导4小时位置误差结果
[0171]
[0172] 由表2可知5次实验结果表明，4小时纯惯导北向、东向位置误差最大值均小于 200m。
[0173] 图8、图9和图10、图11分别是两组长时间数据进行20分钟初始对准补偿加速度计 零偏、偏差禪合的北向等效巧螺漂移和预先标定补偿偏频旋转轴方向巧螺漂移后的纯惯导 24小时结果，速度误差均小于0.2米/秒，北向位置误差优于450米/24小时，东向位置误差优 于750米/24小时。
[0174] W上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡 属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应当视为落入本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在于包含以下步骤： 步骤一:机械抖动偏频激光陀螺安装:在三个陀螺(gx、gy、gz)、三个石英挠性加速度计 (ax、ay、az)构成的高精度激光陀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陀螺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； 步骤二:坐标系及安装关系定义： 定义η系为当地水平地理坐标系，N-E-D(北-东-地)方向； bg系为斜装的恒速偏频MJ(惯性测量单元)坐标系，其\轴与gx陀螺敏感轴重合，八轴 在gx陀螺与gy陀螺敏感轴所确定的平面内且gy陀螺敏感轴方向偏离·\轴一个小的安装偏 差角，气轴方向符合右手规则且g z陀螺敏感轴方向偏离\轴一个小的安装偏差角； b系为变换后的MU坐标系，采用前-右-下方向，zb轴与恒速偏频旋转轴重合，xb轴、yb轴 与偏频旋转轴正交，xb轴与气轴及轴在同一平面内，与η系间的方向余弦矩阵为?': 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，顺时针 方向为正），周期T，t时刻与转台零位夹角a(t); 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; 为b系与bP系之间的转换矩阵，可由a(t)表示为：0) 步骤三:偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算： b系下偏频旋转轴方向敏感角速率^4可表示为，(2) 式中，是b系下载体角速度，bp系中机械抖动激光陀螺敏感轴单位矢量为[kdx kdy kdz]T，其敏感角速率理论值为wdz，上标T表示向量或矩阵的转置，Δ t是采样时间间隔； 由式(2)积分可得相应的陀螺角增量采样值，根据b系中恒速偏频激光陀螺IMU提供的 垂直于旋转轴的角增量，固联于b P系中的机抖陀螺的角增量 ￡+Δ( ，偏频旋转机构的角位置a(t)和角增量△ a (t)，可计算出b系沿偏频旋转轴方向的 角增量也； J t - 步骤四：精确标校匕系与b系之间的安装关系矩阵:设置bg系三个恒速偏频激光陀螺 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'C^进 行精确标校； 步骤五:精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量[kdx kdy kdz]:设置三个恒速偏 频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，cp'保持不变时有：(3；) 式中，表示bp系的旋转角速率； 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陀螺常值漂移误差影响，根据 由即可估 计出参数[kdx kdy kdz]; 步骤六:初始对准卡尔曼滤波器设计： 选取三个姿态误差（Φν、Φε、Φ?)和三个速度误差(3Vn、3Ve、3Vd)作为误差状态，器件误 差中，选取三个加速度计零偏占//)作为误差状态，选取偏频旋转轴方向等 效陀螺采样值常值零偏&I、偏差耦合造成的北向等效陀螺漂移^作为误差状态，即V4) 构建系统状态方程如下： i=，Fx + Gw (5) 式中，X表不系统误差状态，至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： W-[Wgx Wgy Wgz Wax Way Waz] (6) 式中，Wgx、Wgy和WgZ为陀螺测量噪声，《^、《^、《^为加速度计测量噪声； 选取η系下速度误差δνΝ、δνΕ和SVD作为观测量，构建观测方程如下： ζ = Ηχ+υ (7) 式中，ζ为观测量，Η为测量矩阵，υ为测量噪声； 步骤七:纯惯导误差修正补偿： 利用初始对准卡尔曼滤波对和ζΝ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：2.根据权利要求1所述的一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在 于： 步骤三中偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算中4求解方法为： 机抖陀螺敏感角速率理论值可表示为：(11)把式(1)代入式(12)变换后可得 < 的表达式。3.根据权利要求1所述的一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在 于： 步骤四中所述Ct的精确标校方法为： 设真实的頂U坐标系为t/系，则有： Qp=QCl (13) 式中，^:是'与!!系间的方向余弦矩阵的真实值，可表示为：(14) 巧是V系与η系间的方向余弦矩阵，可表示为：(15) 将式(14)和（15)代入式(13)两边同时消去％得：(16) 设ξχ和ly为b系和t/系之间的转换的小角度偏差，则:(17) 将式(1)和式(17)代入式(16)解得：( 静基座下分别选取a (t) = 0和a (t) = π两个时刻，从而解得： (IQ) 则可根据式= (64对进行精确标校。4.根据权利要求1所述的一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在 于： 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： 系统状态方程构建如下：式中，φη=[φΝ φΕ φ[)]τ代表失准角，fn表示η系下的比力值，是η系的旋转角速 率； 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： - ' ' JUx6·卡尔曼滤波观测方程构建如下： 观测量ζ = [δνΝ δνΕ SVD]T，则在观测方程ζ = Ηχ + υ中： υ=[υΝ υΕ υ〇]τ (24)。 (23)
【专利摘要】本发明属于惯性导航领域，针对正反转速率偏频方式激光陀螺惯导系统要求偏频机构瞬间反转、实现难度大，以及恒速偏频方式激光陀螺惯导系统无法克服与偏频旋转轴方向陀螺标度因数误差相关的等效漂移误差、纯惯性导航误差大的问题，公开了一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法。本发明通过机械抖动偏频激光陀螺安装、坐标系及安装关系定义、偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算、精确标校安装关系矩阵、精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量、初始对准卡尔曼滤波器设计、纯惯导误差修正补偿的步骤，实现了快速高精度初始对准，减小了纯惯导的北向和东向位置误差，提高了导航精度。
【IPC分类】G01C21/20, G01C21/16
【公开号】CN105628025
【申请号】CN201511028707
【发明人】吴文启, 周跃诚, 王林, 李云
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月31日