船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法

专利名称：：船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种导航领域的初始姿态对准方法。
背景技术：
：高精度惯导系统采用旋转自动补偿技术可以大幅度提高惯导系统的精度，因此旋转式惯导系统已成了我国船用惯性导航系统的主要研究对象。初始对准是捷联惯导系统进行导航的前提，初始对准的精度将直接影响到系统的导航精度。对于惯导系统单个位置的对准来说，对准精度直接受限于惯性元件的常值偏差大小，即无论采用经典的二阶调平回路及罗经回路对准，还是采用卡尔曼滤波技术对准，系统的水平对准误差均与系统东向和北向加速度计的常值偏差有关，特别是东向陀螺漂移引起较大的方位误差。
发明内容本发明的目的在于提供一种通过旋转IMU提高系统状态误差的可观测性、从而提高系统的失准角以及惯性器件误差的估计精度的船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法。本发明的目的是这样实现的本发明船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法，其特征是(1)将标定后的捷联惯导系统安装在单轴转台上，启动系统，采集陀螺仪输出和加速度计输出；(2)控制IMU绕天向轴在(-45°，+135°，+45°，-135°)的四个位置间循环运动的转位方案来进行漂移误差的自动补偿，组成旋转式惯导系统，设IMU在每个位置上停止相同的时间Ts，令每次转动的角速度均为ω=π/TK，Tk为每次旋转的时间，具体为IMU从第一点出发反转180°到达第三点，停止时间Ts，IMU从第三点出发反转90°到达第四点，停止时间Ts，IMU从第四点出发正转180°到达第二点，停止时间Ts，IMU从第二点出发正转90°到达第一点，停止时间Ts，IMU从第一点出发正转180°到达第三点，停止时间Ts，IMU从第三点出发正转90°到达第二，停止时间Ts，IMU从第二点出发反转180°到达第四点，停止时间Ts，IMU从第四点出发反转90°到达第一点，停止时间Ts，然后IMU按照上述顺序循环运动；(3)建立卡尔曼滤波状态方程使用一阶线性随机微分方程来描述捷联惯导系统的状态误差为Xit)=F{t)X{t)+G{t)W{t)J其中X⑴为t时刻系统的状态向量，F(t)和G(t)分别为系统状态矩阵和噪声矩阵，W(t)为系统的噪声向量，船用捷联惯导系统不考虑高度通道，故设置系统的状态向量为X=[δVeδVnΨεΨνVχVyεχεyεJt,系统的白噪声向量为ff(t)=其中ψΕ、ψΝ、Vu分别表示纵摇、横摇和航向误差角，δνΕ、δVn分别表示东向、北向的速度误差，vx、Vy分别为X、Y轴加速度计的零偏，εχ、ey、εz分别为X、Y、ζ轴陀螺的常值漂移，ax、ay分别为X、Y轴加速度计的白噪声误差，ωχ、coy、ωζ分别为X、Y、Z轴陀螺的白噪声误差，系统的状态转移矩阵为m权利要求船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法，其特征是(1)将标定后的捷联惯导系统安装在单轴转台上，启动系统，采集陀螺仪输出和加速度计输出；(2)控制IMU绕天向轴在45°、+135°、+45°、135°的四个位置间循环运动的转位方案来进行漂移误差的自动补偿，组成旋转式惯导系统，设IMU在每个位置上停止相同的时间Ts，令每次转动的角速度均为ω＝π/TR，TR为每次旋转的时间，具体为IMU从第一点出发反转180°到达第三点，停止时间Ts，IMU从第三点出发反转90°到达第四点，停止时间Ts，IMU从第四点出发正转180°到达第二点，停止时间Ts，IMU从第二点出发正转90°到达第一点，停止时间Ts，IMU从第一点出发正转180°到达第三点，停止时间Ts，IMU从第三点出发正转90°到达第二，停止时间Ts，IMU从第二点出发反转180°到达第四点，停止时间Ts，IMU从第四点出发反转90°到达第一点，停止时间Ts，然后IMU按照上述顺序循环运动；(3)建立卡尔曼滤波状态方程使用一阶线性随机微分方程来描述捷联惯导系统的状态误差为<mrow><mover><mi>X</mi><mo>&CenterDot;</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>其中X(t)为t时刻系统的状态向量，F(t)和G(t)分别为系统状态矩阵和噪声矩阵，W(t)为系统的噪声向量，船用捷联惯导系统不考虑高度通道，故设置系统的状态向量为X＝[δVEδVNψEψNψU▽x▽yεxεyεz]T，系统的白噪声向量为W(t)＝T，其中ψE、ψN、ψU分别表示纵摇、横摇和航向误差角，δVE、δVN分别表示东向、北向的速度误差，▽x、▽y分别为X、Y轴加速度计的零偏，εx、εy、εz分别为X、Y、Z轴陀螺的常值漂移，ax、ay分别为X、Y轴加速度计的白噪声误差，ωx、ωy、ωz分别为X、Y、Z轴陀螺的白噪声误差，系统的状态转移矩阵为<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>F</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mn>0</mn><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mn>0</mn><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>系统噪声系数矩阵为G(t)＝，其中<mrow><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>g</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>g</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mrow><mo>-</mo><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>cos</mi><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>cos</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>式中g为当地重力加速度，ωie为地球角速度，L为当地地理纬度，Cij(i，j＝1，2，3)为捷联矩阵中的元素，为捷联惯导系统的捷联矩阵；建立卡尔曼滤波的量测方程使用一阶线性随即微分方程来描述捷联惯导系统的量测方程为Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)，其中Z(t)表示t时刻系统的量测向量，H(t)表示系统的量测矩阵，V(t)表示系统的测量噪声，系统量测矩阵为H(t)＝[I2×202×10]，量测量为<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>V</mi><mi>f</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>V</mi><mi>g</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>其中<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>g</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><msup><mi>g</mi><mi>i</mi></msup><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow><mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>f</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><msup><mi>i</mi><mo>&prime;</mo></msup></msubsup><msup><mi>f</mi><mi>b</mi></msup><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow>fb表示加速度计测量值在载体坐标系的投影，表示重力加速度矢量在惯性系的积分，表示加速度计测量值在惯性系的积分；(4)根据卡尔曼滤波状态方程和量测方程，给定系统的初始值初始对准完成，进入导航状态。FSA00000254520100024.tif,FSA00000254520100025.tif,FSA00000254520100034.tif,FSA00000254520100035.tif,FSA00000254520100036.tif全文摘要本发明的目的在于提供船用旋转式光纤陀螺捷联惯导系统初始对准方法。首先采集陀螺仪输出和加速度计输出，然后控制IMU绕天向轴在-45°、+135°、+45°、-135°的四个位置间循环运动的转位方案来进行漂移误差的自动补偿，组成旋转式惯导系统，接着建立卡尔曼滤波状态方程和量测方程，给定系统的初始值，初始对准完成。对于自身具有旋转机构的旋转式惯导系统，初始对准时可以克服惯性元件漂移对自对准的影响，提高对准精度；旋转式惯导系统通过改变系统误差模型中的捷联矩阵改善系统的可观测性，提高了系统状态参量的可估性以及估计精度。文档编号G01C21/18GK101963512SQ201010270840公开日2011年2月2日申请日期2010年9月3日优先权日2010年9月3日发明者于飞,吴磊,奔粤阳,张勇刚,张鑫,徐博,李仔冰,王伟,高伟,黄平申请人:哈尔滨工程大学