专利名称：一种单轴旋转调制微机械惯导方法
技术领域：
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种单轴旋转微机械惯导方法。
背景技术：
微机械陀螺有可靠性高、环境适应性强、体积小、成本低等优点，但是其精度偏低，一般只能与卫星导航系统组成组合导航系统使用，而纯惯性导航精度很差。目前，典型的石英音叉陀螺的常温零偏稳定性可达10° /h，全温范围内为50° /h，导航IOmin的定位误差可达20nmile以上,不能高精度导航的需要。但是，石英音叉陀螺的噪声较小，目前可达0.5° /sqrt(h)，若能通过某种方法抑制缓慢变化的陀螺漂移的影响，则有可能将陀螺等效精度提高到2。/h以内，实现高精度导航的应用。
发明内容
本发明的目的是利用低成本旋转机构对微机械陀螺漂移进行调制并提高惯导系统的纯惯性导航精度，提供一种单轴旋转调制微机械惯导方法。本发明所采用的技术方案是一种单轴旋转调制微机械惯导方法，包括如下步骤步骤(SI)构建单轴旋转机构，所述单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元；步骤(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差；步骤(S3)惯性测量单元导航计算利用加速度计和陀螺的输入，进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中所述初始对准的具体步骤如下(S2. I)使旋转机构静止，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订；(S2. 2)启动旋转机构，使惯性测量单元以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；(S2. 3)水平精对准以速度误差为观测量，采用卡尔曼滤波器方法进行水平精对准；(S2.4)在精对准过程中，利用测角机构实时得到IMU绕方位轴旋转的角度，再通过初始装订的方位角度与实时旋转的角度相减得到IMU的实时方位角。如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中所述单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，且采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承。如上所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其中所述步骤(S2. 2)中，惯性测量单元以30° /s的角速度在
通过采用单轴旋转调制方法来设计微机械惯导系统，抑制陀螺漂移对导航误差的影响，大大提高了导航精度，降低了惯导系统成本，并缩小了惯导系统体积。石英音叉陀螺噪声比较小，其随机游走系数可达0.5° /sqrt(h)，通过采用本发明提供的旋转调制方法，能够将零偏稳定性为10 50° /h的陀螺等效精度提高到约1.6° /h，在此条件下进行惯性导航，可以实现2nmile/10min的导航精度，可以满足实际应用的需求。
图I是单轴旋转机构及其与惯导系统的安装关系示意图；图2是未采用本方法的某微机械惯 导中三个轴的石英音叉陀螺漂移；图3是水平两个陀螺经过本方法旋转调制后的等效陀螺漂移；图4是未采用本方法得到的姿态误差角；图5是采用本方法旋转调制后的姿态误差角；图6是采用本方法旋转调制后的导航位置误差；图中，I.旋转机构，2.惯性测量单元。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提供的一种单轴旋转调制微机械惯导方法进行介绍(SI)构建单轴旋转机构如图I所示，单轴旋转机构I包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元2 (MU)。采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承；单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，即惯性测量单元直接安装在旋转机构表面；若采用密珠轴系而不是双端支撑的轴承，可以大大降低旋转机构的高度，从而实现小型化设计。为降低成本，惯性测量单元可采用微机械惯性器件，由于微机械惯导重量较轻，可以选择输出力矩较小的电机配以降低成本。(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差受陀螺精度限制，系统方位对准精度通常只能达到10°，远远低于外部装订精度；因此，本方法在旋转调制过程中实现水平自对准，采用外部装订方式对方位角进行初始化；初始对准具体步骤如下(S2.1)控制旋转机构处于0°位置(系统通电前MU方位轴所指向的位置为0° )，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订；(S2. 2)启动旋转机构，使IMU以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转；例如，以30° /s的角速度在
(S3)惯性测量单元导航计算完成初始对准后，利用加速度计和陀螺的输入，按照标准捷联惯导解算流程进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。试验结果如图2所示为某微机械惯导中三个轴的石英音叉陀螺的测试数据，横轴表示时间，单位为100s，纵轴表示陀螺零偏稳定性，单位为。/h;测试时间长度为Ih;其IOs平均零偏稳定性分别为10. 1° /h、8.2° /h、9.0° /h。图3为水平两个陀螺经过旋转调制后的等效陀螺漂移，横轴表示时间，单位为分钟，纵轴表示等效陀螺漂移，单位为。/h ；可见，经旋转调制之后，10° /h的陀螺漂移经旋转调制后等效精度优于2° /h图4为调制前的姿态误差角，图5为调制后的姿态误差角，两图横轴为时间，单位为秒，纵轴为误差角单位为角秒(")。可见，经过旋转调制，Ih内姿态角误差可控制在6'。进行IOmin的纯惯性导航，位置误差如图6所示，可见，经过旋转调制，IOmin纯惯性导航位置误差小于2nmile。综上，通过该方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系统纯惯性导航精度提高到2nmile/10min，满足高精度导航需求。
权利要求
1.一种单轴旋转调制微机械惯导方法，包括如下步骤 步骤(Si)构建单轴旋转机构，所述单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台用于安装惯性测量单元； 步骤(S2)初始对准，得到初始姿态矩阵的误差； 步骤(S3)惯性测量单元导航计算利用加速度计和陀螺的输入，进行导航计算，输出位置、速度和航姿角信息；并利用测角机构测量旋转轴旋转的角度，将惯性测量单元解算的姿态矩阵进行转换，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。
2.根据权利要求I所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其特征在于所述初始对准的具体步骤如下 (S2. I)使旋转机构静止，对系统方位角、姿态角、速度、位置进行初始装订； (S2. 2)启动旋转机构，使惯性测量单元以一定的角速度绕方位轴往复整周旋转； (S2. 3)水平精对准以速度误差为观测量，采用卡尔曼滤波器方法进行水平对准； (S2. 4)在精对准过程中，利用测角机构实时得到IMU绕方位轴旋转的角度，再通过初始装订的方位角度与实时旋转的角度相减得到IMU的实时方位角。
3.根据权利要求2所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其特征在于所述单轴旋转机构与惯性测量单元之间采用单端支撑方式，且采用密珠轴系或高精度双列角接触轴承。
4.根据权利要求3所述的一种单轴旋转调制微机械惯导方法，其特征在于所述步骤(S2. 2)中，惯性测量单元以30° /s的角速度在[0°，360° )之间匀速往复旋转。
全文摘要
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种单轴旋转微机械惯导方法。目的是利用低成本旋转机构对微机械陀螺漂移进行调制并提高惯导系统的纯惯性导航精度。该方法包括构建单轴旋转机构的步骤，单轴旋转机构包括一个由驱动装置驱动的轴，轴带动安装平台转动，安装平台可用于安装惯性测量单元；还包括初始对准步骤以及导航计算步骤，得到运载体坐标系内的姿态矩阵。通过该方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系统纯惯性导航精度提高到2nmile/10min，满足高精度导航需求。
文档编号G01C21/16GK102620734SQ20121010259
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者唐彦, 张伟, 徐海刚, 李延, 熊建琼, 王婷, 黄妍妍 申请人:北京自动化控制设备研究所