专利名称：微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法
技术领域：
本发明涉及一种捷联惯性导航系统的标定技术领域，特别涉及一种微机械陀螺测量组件的闭环标定技术。
背景技术：
标定技术本质上也是一种误差补偿技术。所谓误差补偿技术就是建立惯性传感器和捷联式惯性导航系统的误差数学模型，通过一定的试验来确定模型系数，进而通过软件算法来消除误差。惯性传感器和捷联式惯性导航系统在出厂之前，必须通过一定的标定方法确定基本的误差数学模型参数，以保证传感器和系统的正常工作。而且惯性传感器高阶误差项的研究、捷联式惯性导航系统在恶劣动态环境下的误差补偿都是在标定的基础上进行的，可以说标定的方法是整个误差补偿技术的基础。
标定技术按照不同的标准有如下的分类 1.根据标定的场所不同可以分为内场标定和外场标定，这是标定的两个不同阶段，内场标定是外场标定的基础。内场标定是指在实验室内利用惯性测试设备标定系统的参数。此时标定出的参数是相对于标准的北向基准及水平基准的。外场标定则是将系统安装在载体上后进行的标定，由于安装关系，载体的实际姿态角与系统解算出的姿态角存在系统误差，即安装误差，外场标定的任务即标定安装误差。如将惯性系统安装在火炮上后标定火炮坐标系与系统坐标系的安装关系。水平误差角的标定一般是利用加速度计解析调平的方法来标定，方位误差角的标定则是利用标准的北向基准采用光学传递的方法来标定。
2.根据标定的层次可以分为传感器标定和系统标定。传感器标定一般在出厂前由厂家在工厂进行，以便确定传感器的性能参数。传感器标定主要完成标度因数、偏值、偏值稳定性、阈值、启动时间、高低温度环境性能、振动和磁场环境性能等的测试。目前惯性传感器的标定技术已经比较成熟，根据用途可以参照不同的国家测试标准和军用测试标准。系统标定是指从捷联式惯性导航系统的精度出发，考虑到由惯性传感器构成捷联式惯性导航系统时安装轴向不垂直以及载体运动环境的复杂恶劣性等因素的影响，建立惯性传感器的误差数学模型，最后实现误差补偿的过程。
目前通用的标定方法都属于内场系统级标定方法。这些方法考虑由惯性传感器安装轴向不垂直以及载体运动环境的复杂恶劣性等因素的影响，建立系统的误差数学模型。利用陀螺仪和加速度计的输出进行导航解算，以导航误差(位置误差、速度误差及姿态误差)作为观测量来标定系统的误差数学模型参数。在标定过程中，捷联惯性导航系统处于开环工作状态，无反馈环节。整个过程属于系统的开环标定。系统误差数学模型的参数为估算值，无法通过导航误差对其进行校正，因此标定结果与高精度的捷联惯性导航系统的要求有一定的差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高微机械陀螺捷联惯性导航系统中微机械陀螺测量组件的标定精度的微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法。
本发明的目的是这样实现的 步骤1、将微机械陀螺测量组件放置于转台上，陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与转台的内、中、外框的自转轴平行，捷联惯性导航系统进行预热，然后采集陀螺仪和加速度计输出的数据； 步骤2、操作转台使捷联惯性导航系统调整到当地地理坐标系上，再将Y轴向北抬高一个角度，该角度等于纬度值
使Y轴正方向分别对准地球自转角速率的正方向与负方向，记录陀螺原始输出Ng+、Ng-， 粗略测量Y轴的标度因数为 用同样的方法，求出另外两个轴的标度因数Kgx和Kgz分别为 步骤3、粗略确定微机械陀螺的零位误差与安装误差，用粗略确定的标度因数、安装误差构成矩阵CKg_b 即CKg_b确定了微机械陀螺的标度因数和安装误差角； 步骤4、由步骤3确定的CKg_b矩阵与粗略确定的零位误差写入导航计算机中，捷联惯性导航系统按照罗经回路法进行对准，在罗经对准结束后读取系统导航参数输出航向角
地理坐标系各轴上的控制角速度，由此测量出陀螺的常值漂移； 步骤5、由步骤4确定的陀螺的常值漂移写入导航计算机中进行补偿，随后，捷联惯性导航系统进入导航阶段，记录陀螺的输出，并观察捷联惯性导航系统解算得到的航向角，精确标定陀螺的标度因数和安装误差角； 步骤6、由步骤5确定的修正陀螺标度因数和安装误差角更新矩阵CKg_b，以及导航解算得到的航向角写入导航计算机作为下一轮标定的初值，重复步骤4、步骤5的过程，最后，当两次标定得到的航向角之差小于给定的常数0.0001°时，即航向角误差Δψ不再发生变化时标定结束。
本发明还可以包括 1、在步骤4中所述的测量陀螺常值漂移的具体步骤如下 步骤4-1、控制转台旋转使微机械陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与当地地理坐标系的X、Y、Z轴平行； 步骤4-2、使捷联惯性导航系统在罗经对准过程中，系统工作在阻尼状态地理坐标系t系上，观察载体的姿态角输出，等待对准结束，水平对准结束的标志为姿态角输出为稳态值； 步骤4-3、记录对准结束时，捷联惯性导航系统的解算航向
和转台实际提供的航向ψ，并计算它们的差值
步骤4-4、取对准结束阶段东向控制角速度ωcx，根据解算出来的北向修正控制角速度ωcx以及当地地理纬度
就可以解算出等效东向陀螺漂移εxt
步骤4-5、取对准结束阶段的北向控制角速度ωcy，根据解算出来的北向修正控制角速度ωcy解算出北向陀螺漂移εyt 步骤4-6、取对准结束阶段的天向控制角速度ωcz，根据解算出来的天向修正控制角速度ωcz就可以解算出等效天向陀螺漂移εzt 2、在步骤5中所述的陀螺标度因数和安装误差角的精确标定方法的具体步骤如下 步骤5-1、将捷联惯性导航系统安装在测试转台上，使捷联惯性导航系统定位到天—南—东方位，进行静基座的水平和方位对准，由步骤4估计出各个微机械陀螺的零位误差，再将其转换成脉冲形式，用N10、N20、N30表示，在导航过程中，用对准过程中得到的陀螺零位误差对原始数据Ng1、Ng2、Ng3进行补偿，补偿后的数据记为Ng1′、Ng2′、Ng3′； 步骤5-2、捷联惯性导航系统进入导航状态后，记录更新输出时间T、每秒平均输出数据Ng1、Ng2、Ng3，以及每秒解算得到的航向角ψ，将转台绕其外框轴匀速转过精确的360度，记录转台转动前后的时间T1和T2，转动前后的航向角ψ1和ψ2，以及转动过程中的每秒平均输出Ng1、Ng2、Ng3； 步骤5-3、记录捷联惯性导航系统的解算航向角，它与360度作差的结果既是捷联惯性导航系统的解算偏差Δψ，编号为1号的x轴陀螺的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
编号为1号的x轴陀螺的安装误差的测量计算方法 转台绕天向轴上的1号陀螺匀速反转360度，用同样的方法，得出另一组Kg1(i)、δθ12(i)、δθ13(i)值，将两组值取均值，作为该次标定的最终结果； 步骤5-4、将转台调整到西—天—北方位，2号陀螺在天向轴，绕天向轴匀速正转360度，记录转台转动前后时间，编号为2号的y轴陀螺的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
y轴陀螺安装误差的测量计算方法 再将转台绕天向轴2号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，求取平均值作为最终标定结果； 步骤5-5、将转台调整到西—南—天方位，2号陀螺朝天向，绕天向轴匀速转动360度，z轴陀螺的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
编号为3号的z轴陀螺安装误差的测量计算方法 再将转台绕天向轴3号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，求取平均值作为最终标定结果。
为了提高微机械陀螺捷联惯性导航系统中微机械陀螺测量组件的标定精度，本发明提供了一种微机械陀螺测量组件的闭环标定新方法。该方法将微机械陀螺测量组件零位误差的标定放到初始对准中，将微机械陀螺测量组件标度因数和安装误差的标定放到导航状态中，标定工作处于闭环反馈状态，能够对标定误差进行反馈修正，从而提高了标定精度。
编制相应的软件实现闭环标定方法，确定微机械陀螺的零位误差、标度因数和安装误差角。
在Matlab仿真环境中检验所设计的闭环标定方法的性能，微机械陀螺的输出由导航模拟器产生。微机械陀螺的误差模型参数设置如下 表1误差模型参数设置值
利用传统标定方法(三轴组合标定试验标定微机械陀螺的误差模型参数。速率试验用来标定微机械陀螺的标定因数和安装误差。零位修正试验用来标定微机械陀螺的常值漂移。标定结果如表2所示。
表2传统标定方法的标定结果
利用闭环标定方法标定微机械陀螺的误差模型参数。在捷联惯性导航系统的导航阶段标定微机械陀螺的标度因数和安装误差。在罗经对准过程中标定微机械陀螺的常值漂移。每次罗经对准过程分为粗对准和精对准。粗对准时间为100s，精对准时间为400s。闭环标定方法的标定结果如表3所示。
表3闭环标定方法的标定结果
通过表1、2、3可以看出闭环标定方法的标定误差小于传统标定方法。闭环标定方法的标定精度高于传统标定方法1个数量级以上。
图1为本发明的流程图。
图2为地理坐标系的北向水平回路对准框图。
图3为地理坐标系的东向水平回路对准框图。
图4为地理坐标系的罗经回路对准框图。
图5为精确标定陀螺标度因数和安装误差时，微机械陀螺测量组件的初始方位。其中图5-a、图5-b、图5c分别为编号为1、2、3号的x、y、z陀螺。
具体实施例方式 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 步骤1、将微机械陀螺测量组件放置于转台上，陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与转台的内、中、外框的自转轴平行。捷联惯性导航系统进行预热，然后采集陀螺仪和加速度计输出的数据。预热时间根据具体系统设定。
步骤2、操作转台使捷联惯性导航系统调整到当地地理坐标系上，再将Y轴向北抬高一个角度，该角度等于纬度值
使Y轴正方向分别对准地球自转角速率的正方向与负方向，记录陀螺原始输出Ng+、Ng-。
粗略测量Y轴的标度因数为 用同样的方法，可以求出另外两个轴的标度因数Kgx和Kgz分别为 步骤3、根据工程经验，粗略确定微机械陀螺的零位误差与安装误差。粗略估计值和真实值不超过2个数量级即可。用粗略确定的标度因数、安装误差构成矩阵CKg_b 即CKg_b确定了微机械陀螺的标度因数和安装误差角。
步骤4、由步骤4确定的CKg_b矩阵与粗略确定的零位误差写入导航计算机中。捷联惯性导航系统按照罗经回路法进行对准。在罗经对准结束后读取系统导航参数输出航向角
地理坐标系各轴上的控制角速度，由此测量出陀螺的常值漂移。
步骤5、由步骤4确定的陀螺的常值漂移写入导航计算机中进行补偿。随后，捷联惯性导航系统进入导航阶段，记录陀螺的输出，并观察捷联惯性导航系统解算得到的航向角。精确标定陀螺的标度因数和安装误差角。
步骤6、由步骤5确定的修正陀螺标度因数和安装误差角更新矩阵CKg_b，以及导航解算得到的航向角写入导航计算机作为下一轮标定的初值。重复步骤4、步骤5的过程。最后，当两次标定得到的航向角之差小于给定的常数0.0001°时，即航向角误差Δψ不再发生变化时标定结束。此时得到的常值漂移、标度因数和安装误差角为陀螺最后标定结果。
在步骤4中所述的测量陀螺常值漂移的具体步骤如下 步骤4-1、控制转台旋转使微机械陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与当地地理坐标系的X、Y、Z轴平行。
步骤4-2、使捷联惯性导航系统在罗经对准过程中，系统工作在阻尼状态地理坐标系t系上。北向水平回路工作框图如图2所示；东向水平精校准误差方框图如图3所示；罗经回路工作框图如图4所示。观察载体的姿态角输出，等待对准结束。水平对准结束的标志为姿态角输出为稳态值。
步骤4-3、记录对准结束时，捷联惯性导航系统的解算航向
和转台实际提供的航向ψ，并计算它们的差值。
步骤4-4、取对准结束阶段东向控制角速度ωcx。根据解算出来的北向修正控制角速度ωcx以及当地地理纬度
就可以解算出等效东向陀螺漂移εxt。
步骤4-5、取对准结束阶段的北向控制角速度ωcy，根据解算出来的北向修正控制角速度ωcy就可以解算出北向陀螺漂移εyt。
步骤4-6、取对准结束阶段的天向控制角速度ωcz根据解算出来的天向修正控制角速度ωcz就可以解算出等效天向陀螺漂移εzt。
在步骤5中所述的陀螺标度因数和安装误差角的精确标定方法的具体步骤如下 步骤5-1、将捷联惯性导航系统安装在测试转台上，按照图5-a中的方位操作转台使捷联惯性导航系统定位到天—南—东方位，进行静基座的水平和方位对准。由步骤4估计出各个微机械陀螺的零位误差，再将其转换成脉冲形式，用N10、N20、N30表示。在导航过程中，就可以用对准过程中得到的陀螺零位误差对原始数据Ng1、Ng2、Ng3进行补偿。补偿后的数据记为Ng1′、Ng2′、Ng3′。
步骤5-2、捷联惯性导航系统进入导航状态后，记录更新输出时间T、每秒平均输出数据Ng1、Ng2、Ng3，以及每秒解算得到的航向角ψ。将转台绕其外框轴匀速转过精确的360度。记录转台转动前后的时间T1和T2，转动前后的航向角ψ1和ψ2，以及转动过程中的每秒平均输出Ng1、Ng2、Ng3。
步骤5-3、记录捷联惯性导航系统的解算航向角，它与360度作差的结果既是捷联惯性导航系统的解算偏差Δψ。x轴陀螺(编号为1号)的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
x轴陀螺(编号为1号)的安装误差的测量计算方法 转台绕天向轴上的1号陀螺匀速反转360度，用同样的方法，还可以得出另一组Kg1(i)、δθ12(i)、δθ13(i)值。考虑标度因数的线性度，可以将两组值取均值，作为该次标定的最终结果。
步骤5-4、按照图5-b将转台调整到西—天—北方位，2号陀螺在天向轴，绕天向轴匀速正转360度，记录转台转动前后时间。y轴陀螺(编号为2号)的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
y轴陀螺(编号为2号)安装误差的测量计算方法 再将转台绕天向轴2号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，可以求取平均值作为最终标定结果。
步骤5-5、按照图5-c将转台调整到西—南—天方位，2号陀螺朝天向，绕天向轴匀速转动360度。z轴陀螺(编号为3号)的标度因数测量计算方法 如果累计脉冲方便，采用 如果计时方便，采用
z轴陀螺(编号为3号)安装误差的测量计算方法 再将转台绕天向轴3号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，可以求取平均值作为最终标定结果。
权利要求
1、一种微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法，其特征是
步骤1、将微机械陀螺测量组件放置于转台上，陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与转台的内、中、外框的自转轴平行，捷联惯性导航系统进行预热，然后采集陀螺仪和加速度计输出的数据；
步骤2、操作转台使捷联惯性导航系统调整到当地地理坐标系上，再将Y轴向北抬高一个角度，该角度等于纬度值
使Y轴正方向分别对准地球自转角速率的正方向与负方向，记录陀螺原始输出Ng+、Ng-，
粗略测量Y轴的标度因数为
用同样的方法，求出另外两个轴的标度因数Kgx和Kgz分别为
步骤3、粗略确定微机械陀螺的零位误差与安装误差，用粗略确定的标度因数、安装误差构成矩阵CKg_b
即CKg_b确定了微机械陀螺的标度因数和安装误差角；
步骤4、由步骤3确定的CKg_b矩阵与粗略确定的零位误差写入导航计算机中，捷联惯性导航系统按照罗经回路法进行对准，在罗经对准结束后读取系统导航参数输出航向角
地理坐标系各轴上的控制角速度，由此测量出陀螺的常值漂移；
步骤5、由步骤4确定的陀螺的常值漂移写入导航计算机中进行补偿，随后，捷联惯性导航系统进入导航阶段，记录陀螺的输出，并观察捷联惯性导航系统解算得到的航向角，精确标定陀螺的标度因数和安装误差角；
步骤6、由步骤5确定的修正陀螺标度因数和安装误差角更新矩阵CKg_b，以及导航解算得到的航向角写入导航计算机作为下一轮标定的初值，重复步骤4、步骤5的过程，最后，当两次标定得到的航向角之差小于给定的常数0.0001°时，即航向角误差Δψ不再发生变化时标定结束。
2、根据权利要求1所述的微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法，其特征是
在步骤4中所述的测量陀螺常值漂移的具体步骤如下
步骤4-1、控制转台旋转使微机械陀螺测量组件的X、Y、Z轴陀螺的主轴分别与当地地理坐标系的X、Y、Z轴平行；
步骤4-2、使捷联惯性导航系统在罗经对准过程中，系统工作在阻尼状态地理坐标系t系上，观察载体的姿态角输出，等待对准结束，水平对准结束的标志为姿态角输出为稳态值；
步骤4-3、记录对准结束时，捷联惯性导航系统的解算航向
和转台实际提供的航向ψ，并计算它们的差值
步骤4-4、取对准结束阶段东向控制角速度ωcx，根据解算出来的北向修正控制角速度ωcx以及当地地理纬度
就可以解算出等效东向陀螺漂移εxt
步骤4-5、取对准结束阶段的北向控制角速度ωcy，根据解算出来的北向修正控制角速度ωcy解算出北向陀螺漂移εyt
步骤4-6、取对准结束阶段的天向控制角速度ωcz，根据解算出来的天向修正控制角速度ωcz就可以解算出等效天向陀螺漂移εzt
3、根据权利要求1或2所述的微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法，其特征是在步骤5中所述的陀螺标度因数和安装误差角的精确标定方法的具体步骤如下
步骤5-1、将捷联惯性导航系统安装在测试转台上，使捷联惯性导航系统定位到天—南—东方位，进行静基座的水平和方位对准，由步骤4估计出各个微机械陀螺的零位误差，再将其转换成脉冲形式，用N10、N20、N30表示，在导航过程中，用对准过程中得到的陀螺零位误差对原始数据Ng1、Ng2、Ng3进行补偿，补偿后的数据记为Ng1′、Ng2′、Ng3′；
步骤5-2、捷联惯性导航系统进入导航状态后，记录更新输出时间T、每秒平均输出数据Ng1、Ng2、Ng3，以及每秒解算得到的航向角ψ，将转台绕其外框轴匀速转过精确的360度，记录转台转动前后的时间T1和T2，转动前后的航向角ψ1和ψ2，以及转动过程中的每秒平均输出Ng1、Ng2、Ng3；
步骤5-3、记录捷联惯性导航系统的解算航向角，它与360度作差的结果既是捷联惯性导航系统的解算偏差Δψ，编号为1号的x轴陀螺的标度因数测量计算方法
如果累计脉冲方便，采用
如果计时方便，采用
编号为1号的x轴陀螺的安装误差的测量计算方法
转台绕天向轴上的1号陀螺匀速反转360度，用同样的方法，得出另一组Kg1(i)、δθ12(i)、δθ13(i)值，将两组值取均值，作为该次标定的最终结果；
步骤5-4、将转台调整到西—天—北方位，2号陀螺在天向轴，绕天向轴匀速正转360度，记录转台转动前后时间，编号为2号的y轴陀螺的标度因数测量计算方法
如果累计脉冲方便，采用
如果计时方便，采用
y轴陀螺安装误差的测量计算方法
再将转台绕天向轴2号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，求取平均值作为最终标定结果；
步骤5-5、将转台调整到西—南—天方位，2号陀螺朝天向，绕天向轴匀速转动360度，z轴陀螺的标度因数测量计算方法
如果累计脉冲方便，采用
如果计时方便，采用
编号为3号的z轴陀螺安装误差的测量计算方法
再将转台绕天向轴3号陀螺匀速反转360度，得到另一组参数值，求取平均值作为最终标定结果。
全文摘要
本发明提供的是一种微机械陀螺惯性测量组件的闭环标定方法。包括采集陀螺仪和加速度计输出的数据；粗略测量Y轴的标度因数；用粗略确定的标度因数、安装误差构成矩阵CKg_b；微机械捷联惯性导航系统按照罗经回路法进行对准，在罗经对准结束后读取系统导航参数输出航向角，地理坐标系各轴上的控制角速度，由此测量出陀螺的常值漂移；系统进入导航阶段，精确标定陀螺的标度因数和安装误差角；将更新矩阵CKg_b和航向角写入导航计算机，进行下一轮标定，当两次标定得到的航向角之差小于给定的常数0.0001°时标定结束。使用本发明提供的标定方法，系统处于闭环反馈状态，能够对标定误差进行反馈修正，从而提高了标定精度。
文档编号G01C21/16GK101246023SQ200810064149
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者周广涛, 奔粤阳, 伟 高, 博 徐, 陈世同, 强 于, 高洪涛, 磊 吴, 程建华, 鑫 张 申请人:哈尔滨工程大学