专利名称：一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种捷联惯导系统在震荡、摇摆基座条件下凝固惯性系粗对准方法的误差抑制方法，属于惯性导航技术领域。
背景技术：
捷联惯导系统的初始对准技术就是在较短的时间内以一定的精度确定载体的初始位置、初始速度以及从载体坐标系到导航坐标系的初始姿态角和方向余弦矩阵或初始四元数。对于未进行线运动的载体，其位置可通过载体外部信息(如GNSS定位数据)获取，直接装订入导航计算机，而载体没有线运动时地速为零，也可直接装订 入导航计算机，因而初始姿态角的获取成为初始对准的主要任务。通常，把捷联惯性导航系统的对准分为两个阶段粗对准阶段和精对准阶段。在粗对准阶段，依靠重力矢量和地球速率矢量的测量值，直接估算出载体坐标系到导航参考坐标系的变换矩阵，它是一个粗略值，与真实值存在偏差，但应为小量。而精对准解算可在粗对准基础上采用最小二乘法或卡尔曼滤波法完成，因此粗对准精度对于精对准阶段的速度和精度有影响。现在捷联式惯导系统中常用的粗对准方法为解析式粗对准法。其中解析式粗对准法在稳定的静基座条件下能够满足粗对准的要求，但是对于舰船在风浪作用下摇摆、震荡运动的对准环境，由于摇摆引起的干扰角速度远大于地球自转角速度，信噪比降低，而且干扰角速度频带很宽，无法用滤波器从陀螺输出中提取地球自转角速度。这时陀螺测得的角速度已不是地球自转角速度向量;如果载体有垂荡、纵荡、横荡或随机干扰比较大的时候，加速度计测量的也不是重力加速度g，因此粗对准效果不理想。根据地球自转角速度 ie和粗对准期间所经历的时间，结合重力加速度g在该段时间内在惯性空间中方向的变化可以推算出地球的北向信息，这就是应用凝固惯性系粗对准方案的基本原理。在普通捷联式惯导系统中，采用凝固惯性系的粗对准方法将求解载体的姿态矩阵过程转化为求解一组方向余弦矩阵(C:，Cfe，Ci0，Cbb0)的乘枳’其中Ce”为从地球坐标系e到导航坐标系n的变换矩阵，可由舰船所在位置的经度\和纬度L确定；Cf为从地心惯性坐标系i到地球坐标系e之间的方向余弦矩阵，可由地球自转角速度和经历的时间确定；Cf1为从当前载体坐标系b到初始时刻载体姿态惯性坐标系bO的方向余弦矩阵，可以利用陀螺输出的角速度信息通过四元数算法或等效旋转矢量算法进行姿态更新获得，其中初始时刻载体姿态惯性坐标系bO的定义来源于惯性系凝固假设，即与载体坐标系b在粗对准的起始时刻完全重合的惯性坐标系。Gq是地心惯性坐标系i和初始时刻载体姿态惯性坐标系bO之间的方向余弦矩阵，求得粗对准过程中两个时刻的加速度计的输出的积分值及其叉积，以及地心惯性坐标系下重力加速度的积分值及其叉积，可以组成两个矩阵通过矩阵相乘可以求得C1bo。对加速度计输出的积分，可以使加速度计输出中由摇摆、震荡引起的分量被抵消，从而使粗对准获得更高的精度，这是凝固惯性系粗对准方法的优势。
加速度计输出中，还包含有加速度计的零偏误差，在没有正确标定补偿的情况下，加速度计零偏将随时间积累，因此凝固惯性系粗对准方法的精度将随时间积累而降低，而在很短的时间内完成凝固惯性系粗对准又难以保证加速度计输出中由摇摆、震荡引起的误差分量通过积分得到补偿，所以凝固惯性系粗对准方法效果存在局限性。旋转式捷联惯导系统是将惯导系统惯性测量单元(IMU)基座安装在与载体固连的旋转平台上，使得MU坐标系可以绕平台转轴(一般与MU的惯性器件的敏感轴重合)相对于载体坐标系进行旋转角运动的捷联式惯导系统，通过旋转可以调制惯性器件的误差从而抑制导航误差积累。在旋转式捷联惯导系统中，加速度计的零偏误差可以通过旋转调制技术加以补偿，因此将凝固惯性系粗对准技术引入旋转式惯导系统可以有效改进其性能，本发明将给出旋转式惯导系统的凝固惯性系粗对准方案
发明内容
本发明的目的在于解决凝固惯性系粗对准方法中加速度计输出的零偏误差分量随时间积累引起粗对准精度下降的技术问题，提供一种旋转式捷联惯导系统通过旋转惯性测量单元(IMU)调制加速度计零偏误差，从而提高凝固惯性系粗对准方法精度的方法。一种惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法的具体技术方案如下步骤一、通过全球导航卫星系统(GNSS)或其他途径获得载体所在位置的经度入、纬度L。步骤二、根据步骤一得到的载体所在的经度、纬度，计算从地球坐标系e到导航坐标系n的方向余弦矩阵C。
权利要求
1.一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于具体实现过程如下 步骤一、通过全球导航卫星系统或其他途径获得载体所在位置的经度\、纬度L ；步骤二、根据步骤一得到的载体所在的经度、纬度，计算从地球坐标系e到导航坐标系n的方向余弦矩阵C:; 步骤三、使旋转式惯导系统的双轴按一定旋转方案周期性地旋转； 旋转方案选择下述方案之一 a.内环轴、外环轴单向连续旋转； b.内环轴、外环轴连续旋转,每旋转一周改变转向； c.内环轴、外环轴单向交替旋转,每个轴旋转一周则停止同时开始旋转另一轴,如此循 环往复； d.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后停止，然后由第二轴旋转一周，然后再由第一轴在反向旋转一周，然后再由第二轴反向旋转一周，如此循环往复； e.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后再反向旋转一周，然后停止，然后由第二轴旋转一周后再反向旋转一周，如此循环往复； 步骤四、在步骤三确定旋转方案的同时，利用粗对准过程中陀螺输出的角速度信息，通过求矩阵微分方程数值解，更新IMU坐标系相对于pO坐标系姿态变化的方向余弦矩阵
2.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于步骤二所述的方向余弦矩阵C:为:
3.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于步骤三所述旋转方案中a、c只在旋转惯导系统的旋转平台含有导电滑环的情况下使用，且当MU存在标度因数误差和安装误差的情况下不采用。
4.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于步骤三所述旋转方案中，内环轴、外环轴分别以恒定角速率旋转，且Q1和《2的范围为0. 6° /s 60° /S。
5.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于矩阵微分方程数值解用毕卡逼近算法或龙格-库塔算法，或者直接利用惯导系统的姿态更新算法程序模块求解。
6.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于所述步骤六中，当X轴为内环轴，z轴为外环轴时
7.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于所述步骤六中，当z轴为内环轴，y轴为外环轴时
8.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于所述步骤六中，当y轴为内环轴，z轴为外环轴时
9.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于所述步骤六中，当I轴为内环轴，X轴为外环轴时
10.根据权利要求I所述的一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，其特征在于所述步骤六中，当X轴为内环轴，y轴为外环轴时
全文摘要
本发明涉及一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法，属于惯性导航技术领域。根据载体所在的经度、纬度，地球坐标系到导航坐标系的转换；使旋转式惯导系统的双轴按一定旋转方案周期性地旋转；利用粗对准过程中陀螺输出的角速度信息，通过求矩阵微分方程数值解，更新IMU坐标系相对于p0坐标系姿态变化的方向余弦矩阵；并依次求解矩阵从而得到载体姿态矩阵完成粗对准。本方法通过粗对准过程中的积分运算补偿舰船在风浪作用下摇摆、震荡运动的对准环境下加速度计输出中由摇摆、震荡引起的误差分量，同时通过IMU双轴旋转调制以抑制加速度计零偏随时间积累而引起的误差，从而提高了凝固惯性系粗对准方法的精度。
文档编号G01C21/20GK102721417SQ20111043916
公开日2012年10月10日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者付梦印, 周元, 汪顺亭, 王博, 邓志红 申请人:北京理工大学