基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法
【专利摘要】本发明公开一种基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法，属于惯性导航领域。本发明直接将陀螺输出角速率进行矢量叉乘，可以有效地补偿刚体转动不可交换性误差，同时前一姿态更新周期与当前姿态更新周期内数值积分得到的角增量进行叉乘，进一步提高了算法姿态解算精度，本发明有效地解决角速率输出光纤陀螺惯导系统在高动态环境下姿态求解问题。
【专利说明】基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于惯性导航姿态解算【技术领域】，具体涉及一种基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法。
【背景技术】
[0002]随着光纤传感技术的发展，1976年美国犹他州立大学V.Vali和R.Shorthill教授首次提出了光纤陀螺(Fiber-Optic Gyroscope, FOG)的概念,光纤陀螺已成为惯性导航领域的重要传感器件。对于捷联惯导系统而言，有限转动的不可交换性误差是其姿态解算的一个主要误差源，虽然可以通过提高姿态更新频率来减小不可交换性误差，但是计算机的采样频率有限，不可能无限制地提高，因此有必要研究一种适用于载体高动态环境下的姿态算法。
[0003]1971年，Bortz提出了旋转矢量微分方程，为一种全新的姿态算法提供了理论基础，有效地解决了算法求解过程中存在的不可交换性误差；在此基础上，Miller提出了二子样、三子样误差补偿算法，而Lee在此基础上又提出了四子样算法Jiang提出了利用当前周期与前一周期陀螺仪采样信号进行误差补偿新算法，能够提高算法精度；Savage对前人工作进行了总结，并就姿态更新算法的实现提出了一系列技巧，给出了完整的捷联惯导姿态算法编排和离散更新方法。这些算法的实现都是基于陀螺仪的角增量信息展开的，当陀螺仪输出为角速率信号时，利用数值积分方法将角速率信息转换为角增量信息，然后直接应用传统圆锥误差补偿算法，算法精度会降低2个数量级，不能满足载体高动态环境下对姿态解算精度的要求。针对干涉型光纤陀螺角速率信号可直接得到的特点，有必要研究一种能够直接利用陀螺仪输出角速率信息进行姿态解算算法，从而进一步提高光纤陀螺仪的实际工程利用价值。
[0004]采用毕卡法求解四元数微分方程时，其过程是先计算出载体运动时对应的四元数Q⑴，再根据四元数和姿态矩阵的对应关系，分别求出姿态矩阵和姿态角。
[0005]四元数微分方程的毕卡求解法:.0
【权利要求】
1.一种基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法，其中所述光纤陀螺惯导系统姿态优化过程包括旋转矢量计算模块和四元数更新模块，所述旋转矢量表示载体姿态的变化，所述四元数表示载体相对于参考坐标系的实时方位， 所述的旋转矢量计算模块执行以下步骤: (11)利用DSP和FPGA实现数据采集功能，在一个姿态更新周期内，FPGA把光纤陀螺串行数据转化为并行数据，对陀螺仪的输出采样(N+1)次，分别得到载体运动角速率?!>--?> ?N，其中N表示旋转矢量子样数； (12)利用数值积分方法对陀螺仪采样值进行积分，一个姿态更新周期内陀螺仪角增量输出Q大小为: 式中，
2.根据权利要求1所述的一种基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法，其特征在于:所述步骤(13)中，高动态环境下，利用角速率矢量叉乘项补偿圆锥误差对姿态解算精度的影响。
3.根据权利要求1所述的一种基于角速率输入的光纤陀螺惯导系统姿态优化方法，其特征在于:所述步骤(13)中，对捷联惯导姿态更新来说，标准圆锥运动是最恶劣的工作环境，会诱发数学平台的严重漂移，以标准圆锥运动为算法优化准则，并利用泰勒级数展开对旋转矢量算法进行优化，得到最优圆锥误差补偿系数Ki和G。
【文档编号】G01C21/16GK103712623SQ201410023748
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】程向红, 胡杰, 冯骥 申请人:东南大学