高动态情况下惯导四位置转停方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种高动态情况下单轴旋转调制捷联惯导四位置转停方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.惯性导航系统是一种完全自主的导航技术，它依靠载体上安装的惯性器件，通过导航计算机自主地完成导航任务，可以和外界不发生任何光、电联系，因此，隐蔽性好，工作不受环境条件的限制，这一独特优点使得惯性导航系统成为航空、航天和航海领域中的一种广泛使用的导航方法。但是实现高精度的惯性导航系统仍然存在很高的技术难度，这是由于惯性导航系统是一种航位推算导航方法，根据惯性器件测量的线运动和角运动参数，得到姿态和速度，进一步计算出载体的位置，而在导航计算这一积分过程中，由惯性器件误差引起的系统误差会随着时间而增长，因此惯性导航系统的精度主要受惯性器件的精度制约。为了实现长航时、高精度的惯性导航系统，必须降低惯性器件输出中的各种误差因素引起的导航误差。
3.惯性导航系统误差积累主要由初始对准的精度、惯性器件精度以及载体运动的动态环境特性决定，因而长时间独立工作后误差会很快发散。为了获得长航时、高精度的捷联惯导系统，解决的途径主要有三种：
4.(1)提高惯性器件本身的精度，主要依靠开发新材料、新工艺、新技术来提高惯性器件的精度，或研制新型高精度的惯性器件；
5.(2)研究惯性导航系统自身的误差传播特性，为惯性测量组合设置某种特定运动方式(典型运动方式为周期性的旋转调制)，抑制惯性导航系统各种误差因素所引起的导航误差；
6.(3)采用组合导航方式，利用外部信息对惯性器件误差和导航参数进行估计和修正。
7.目前通常采用第二种途径来解决误差积累的问题，一般采用单轴旋转调制捷联惯性导航系统，但两个水平方向上的惯性器件偏差由于惯性测量组合绕竖直轴的旋转被调制成周期变化信号，在一个转动周期内的均值为零，而旋转轴方向上的惯性器件偏差没有被调制，引起捷联惯导系统定位误差随时间积累。因此，利用惯性测量组合转动的误差调制技术仅能调制与旋转轴垂直方向上的惯性器件常值偏差，而敏感轴沿着转轴方向上的惯性器件偏差引起惯导系统的导航误差仍按原来的规律传播。
8.单轴旋转调制捷联惯性导航系统可以按照匀速旋转的方式运动，也可以在对称的位置停止相同的时间，例如在间隔90
°
的4个位置上停止相同时间，只要能满足εn、与相应惯性器件常值漂移有关的项在一个转动周期内为零，就能达到同样的平均漂移误差的效果。四位置转停方案误差调制的本质是通过惯性测量组合的转动实现惯性器件在对称位置上停留相同时间，使误差传播方程中由陀螺仪和加速度计常值误差引起的误差项经过积分后为零或接近于零，以此减小系统误差的积累，提高导航精度。
9.但上述方法只考虑了载体静止状态下的情况，一般认为，如果不隔离载体的航向角变化，则单轴旋转系统的水平常值漂移误差抵消程度会受到载体转弯等运动的影响，最终导致降低了漂移误差补偿的效果。当载体在拐弯时，惯性测量组合在载体坐标系保持四个方位的转停时间一致，但是惯性测量组合在导航坐标系四个方位的转停时间已经被打乱。比如，当前载体在导航坐标系航向角为0度，转位机构角度也在0度，惯性测量组合在导航坐标系为0度；当转位机构转到90度时，载体航向角转到-90度，惯性测量组合在导航坐标系仍然为0度，旋转调制没有起到抑制误差效果。根据载体航向角变化不同，还会放大误差，当载体进行多次拐弯后，纯惯导系统是个积分系统，误差会一直积累，最终导致位置精度超差。
10.基于此，亟需一种对现有四位置转停方案进行优化的方法，以尽可能的减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响，弥补由于载体拐弯引起的惯导旋转调制误差。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种高动态情况下惯导四位置转停方法、系统、设备及介质，能够尽可能的减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响，弥补由于载体拐弯引起的惯导旋转调制误差。
12.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
13.一种高动态情况下惯导四位置转停方法，所述转停方法包括：
14.控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动，并采集所述转动周期内，所述惯性测量组合的航向角；
15.根据所述惯性测量组合的航向角计算下一所述转动周期的四个位置的停留时间，返回“控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动”的步骤，直至导航结束。
16.一种高动态情况下惯导四位置转停系统，所述转停系统包括：
17.转动模块，用于控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动，并采集所述转动周期内，所述惯性测量组合的航向角；
18.计算模块，用于根据所述惯性测量组合的航向角计算下一所述转动周期的四个位置的停留时间，返回“控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动”的步骤，直至导航结束。
19.一种高动态情况下惯导四位置转停设备，包括：
20.处理器；以及
21.存储器，其中存储计算机可读程序指令，
22.其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行上述的转停方法。
23.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述转停方法的步骤。
24.与现有技术相比，本发明提供的一种高动态情况下惯导四位置转停方法、系统、设备及介质，先控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动，并采集转动周期内惯性测量组合的航向角，再根据惯性测量组合的航向角计算下一转动周期的四个位置的停留时间，返回“控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周
期的四位置转停方案进行转动”的步骤，直至导航结束，从而动态调整下一个转动周期中四位置的停留时间，从而尽可能小的减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响，弥补由于载体拐弯引起的惯导旋转调制误差。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
26.图1为本发明实施例1所提供的单轴四位置转停方案示意图；
27.图2为本发明实施例1所提供的转停方法的方法流程图；
28.图3为本发明实施例1所提供的四位置停留时间的动态调整流程图；
29.图4为本发明实施例2所提供的转停系统的系统框图。
具体实施方式
30.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
31.实施例1:
32.设初始时刻惯性测量组合坐标系(s坐标系)与载体坐标系(b坐标系)重合，然后控制惯性测量组合绕竖直方向以恒定的角速度ω开始连续转动，则t时刻惯性测量组合坐标系与载体坐标系之间的关系为：
[0033][0034]
式(1)中，为t时刻惯性测量组合坐标系转换为载体坐标系的转换矩阵；为t时刻载体坐标系转换为惯性测量组合坐标系的转换矩阵。
[0035]
设εe、εn、εu为东北天陀螺常值漂移，为东北天加速度计零偏。由于惯导系统解算过程在导航坐标系下进行，为分析问题简单直观，设载体坐标系与导航坐标系(n坐标系)重合，即b＝n，那么t时刻惯性器件偏差在导航坐标系上的调制形式可表示为：
[0036][0037][0038]
上式中，为t时刻惯性测量组合坐标系转换为导航坐标系的转换矩阵；
分别为惯性测量组合坐标系下，陀螺在x轴、y轴和z轴的常值漂移；分别为惯性测量组合坐标系下，加速度计在x轴、y轴和z轴的零偏；ω为转位机构的角速度；ωt为t时刻转位机构的角度。
[0039]
由式(2)和式(3)可见，两个水平方向上的惯性器件偏差由于惯性测量组合绕竖直轴的旋转被调制成周期变化信号，信号的振幅大于惯性器件常值偏差，但它们在一个转动周期内的均值为零，因此不会影响系统导航精度，而旋转轴方向上的惯性器件偏差没有被调制，引起捷联惯导系统定位误差随时间积累。因此，利用惯性测量组合转动的误差调制技术仅能调制与旋转轴垂直方向上的惯性器件常值偏差，而敏感轴沿着旋转轴方向上的惯性器件偏差引起惯导系统的导航误差仍按原来的规律传播。
[0040]
捷联惯导系统采用技术较为成熟的四位置转停方案，惯性测量组合的最大转动角度被限制在小于360
°
范围内，系统不使用滑环，从而大大提高了系统的可靠性。如图1所示，单轴四位置转停过程如下：
[0041]
次序1：从位置a出发绕轴正转180
°
到达位置c，停留时间为tc；
[0042]
次序2：从位置c出发绕轴正转90
°
到达位置d，停留时间为td；
[0043]
次序3：从位置d出发绕轴反转180
°
到达位置b，停留时间为tb；
[0044]
次序4：从位置b出发绕轴反转90
°
回到位置a，停留时间为ta。
[0045]
以上4次转动为一个转动周期，然后按照次序1～4的顺序循环，正转是指逆时针转动，反转是指顺时针转动。其中，
[0046][0047]
tb＝ts；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0048]
tc＝ts；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0049][0050]
上式中，ω为惯性测量组合的转位机构的旋转角速度；ts为预设停留时间。
[0051]
假设ts为300s，ω为17
°
/s，分析转位机构静止时间占系统总工作时间中的比例。
[0052]
(1)位置a到位置c处，转动时间为11.59s；位置c处停留时间为300s；
[0053]
(2)位置c到位置d处，转动时间为6.29s；位置d处停留时间为306.74s；
[0054]
(3)位置d到位置b处，转动时间为11.59s；位置b处停留时间为300s；
[0055]
(4)位置b到位置a处，转动时间为6.29s；位置a处停留时间为306.74s；
[0056]
转位机构一个转动周期内的静止时间占系统一个转动周期总时间的比例为：
[0057]
1213.48/1249.24＝97.14％
[0058]
由此可见，静止时间占比很高，能够极大地提高系统工作的可靠性。
[0059]
但是如果不隔离载体的航向角变化，则单轴旋转系统的水平常值漂移误差抵消程度会受到载体转弯等运动的影响，最终导致降低了漂移误差补偿的效果。在动态条件下通过调整四位置停留时间，抵消惯性器件的水平常值漂移误差，从而达到和隔离载体航向角变化后一样的效果。本实施例通过研究惯性导航系统自身的误差传播特性，为惯性测量组合设置某种特定运动方式(典型运动方式为单轴旋转调制)，抑制惯导系统各种误差因素所
引起的导航误差。针对长航时、高精度捷联惯导，采用单轴旋转调制方式，四位置转停方案，在实际航行过程中航行体(载体)多次拐弯遇到的问题，研究了高动态情况下的四位置转停方案，通过对航向角的正余弦进行积分，动态调整四位置的停留时间，从而减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响。仿真和试验结果表明，该方法工程实现简单，措施有效，达到了实际工程应用状态。
[0060]
为了达到上述目的，本实施例用于提供一种高动态情况下惯导四位置转停方法，如图2所示，所述转停方法包括：
[0061]
s1：控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动，并采集所述转动周期内，所述惯性测量组合的航向角；
[0062]
如图1所示，本实施例所用的四位置转停方案包括：从位置a出发逆时针转动180度到达位置c，在位置c的停留时间为tc；从位置c出发逆时针转动90度到达位置d，在位置d的停留时间为td；从位置d出发顺时针转动180度到达位置b，在位置b的停留时间为tb；从位置b出发顺时针转动90度到达位置a，在位置a的停留时间为ta。
[0063]
s2：根据所述惯性测量组合的航向角计算下一所述转动周期的四个位置的停留时间，返回“控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动”的步骤，直至导航结束。
[0064]
本实施例的目的在于动态调整每一转动周期内a、b、c、d四个位置的停留时间，下面将分析动态条件下通过调整四位置停留时间，抵消惯性器件的水平常值漂移误差，从而达到和隔离载体航向角变化后一样的效果。由式(2)和式(3)可见，常值漂移误差的抵消一定对应着数学平台的误差角速度在一定时间内的积分为零。忽略载体的横摇和纵摇角变化，对于常值漂移来说，数学平台的误差角速度的积分大小又与惯性测量组合的航向角正弦和余弦的积分大小相对应，因此，可以选择惯性测量组合的航向角的正余弦积分值作为惯性测量组合在a、b、c、d各个位置停留时间的计算参考值。
[0065]
具体的，如图3所示，s2中，根据惯性测量组合的航向角计算下一转动周期的四个位置的停留时间可以包括：
[0066]
(1)对惯性测量组合的航向角分别进行正弦积分和余弦积分，得到正弦积分值和余弦积分值；
[0067]
利用正弦积分公式对惯性测量组合的航向角进行正弦积分，得到正弦积分值；利用余弦积分公式对惯性测量组合的航向角进行余弦积分，得到余弦积分值。
[0068]
本实施例所用的正弦积分公式为：
[0069][0070]
式(8)中，e
sin
为正弦积分值；φu为惯性测量组合的航向角。
[0071]
本实施例所用的余弦积分公式为：
[0072][0073]
式(9)中，e
cos
为余弦积分值。
[0074]
定义惯性测量组合的航向角的正余弦的积分平方值如下：
[0075]
[0076]
式(10)中，e
cs
为积分平方值。
[0077]
本实施例根据e
cos
、e
sin
和e
cs
的值动态计算惯性测量组合在每个位置停止时间的修正时间δta、δtb、δtc、δtd，从捷联惯性导航系统正式工作开始，导航计算机即开始不停的累加计算当前时刻e
cos
、e
sin
和e
cs
的值，同时令δta、δtb、δtc、δtd为零，按照四位置转停方案所定义的次序进行第一个转动周期的运动，当刚好完成一个完整的转动周期后，惯性测量组合回到了位置a，并在位置a停止了ta的时间，此时惯性测量组合的航向角为φ
′u，e
cos
、e
sin
和e
cs
的值分别为e
cos
、e
sin
和e
cs
。
[0078]
(2)以正弦积分值和余弦积分值为输入，利用积分平方和公式分别计算惯性测量组合在四个位置的修正时间和每一位置对应的积分和；
[0079]
本实施例所用的积分平方和公式包括：
[0080]
δe＝(e
′
cos
+cos(φ
′u+α)δt)2+(e
′
sin
+sin(φ
′u+α)δt)2；
ꢀꢀ
(11)
[0081]
式(11)中，δe为积分和；e
′
cos
为余弦积分值；φ
′u为惯性测量组合在转动周期采样得到的最后一个航向角；α为预设角度；δt为修正时间；e
′
sin
为正弦积分值。
[0082]
基于上述积分平方和公式，以正弦积分值和余弦积分值为输入，利用积分平方和公式分别计算惯性测量组合在四个位置的修正时间和每一位置对应的积分和可以包括：
[0083]
以正弦积分值和余弦积分值为输入，令α为0度，利用积分平方和公式计算δe取最小值时的δt，此时，δt即为位置a的修正时间，δe即为位置a的积分和；以正弦积分值和余弦积分值为输入，令α为90度，利用积分平方和公式计算δe取最小值时的δt，此时，δt即为位置b的修正时间，δe即为位置b的积分和；以正弦积分值和余弦积分值为输入，令α为180度，利用积分平方和公式计算δe取最小值时的δt，此时，δt即为位置c的修正时间，δe即为位置c的积分和；以正弦积分值和余弦积分值为输入，令α为270度，利用积分平方和公式计算δe取最小值时的δt，此时，δt即为位置d的修正时间，δe即为位置d的积分和。
[0084]
下面将分别取α为0度、90度、180度、270度时求解δt取何值时，式(11)的值为最小，显然，式(11)为δt的一元二次方程，很容易求出δe的最小值。设α为0
°
时，求得δt为δta时，δe具有最小值δea；α为90
°
时，求得δt为δtb时，δe具有最小值δeb；设α为180
°
时，求得δt为δtc时，δe具有最小值δec；设α为270
°
时，求得δt为δtd时，δe具有最小值δed。
[0085]
(3)对四个位置的积分和进行比较，确定积分和最小的位置，得到待修正位置；
[0086]
(4)根据待修正位置的修正时间对待修正位置的停留时间进行修正，其他位置的停留时间保持不变，得到下一转动周期的四个位置的停留时间。
[0087]
根据待修正位置的修正时间对待修正位置的停留时间进行修正可以包括：根据待修正位置的修正时间，利用修正公式对待修正位置的停留时间进行修正。
[0088]
具体的，惯性测量组合在a、b、c、d四位置的停留时间可以由原来的停留时间修正得到，当待修正位置为位置a时，所述修正公式为：
[0089]
ta＝ts+2/ω+δta；
ꢀꢀ
(12)
[0090]
式(12)中，ta为位置a的停留时间；ts为预设停留时间；ω为惯性测量组合的旋转角速度；δta为位置a的修正时间；
[0091]
当待修正位置为位置b时，所述修正公式为：
[0092]
tb＝ts+δtb；
ꢀꢀ
(13)
[0093]
式(13)中，tb为位置b的停留时间；δtb为位置b的修正时间；
[0094]
当待修正位置为位置c时，所述修正公式为：
[0095]
tc＝ts+δtc；
ꢀꢀ
(14)
[0096]
式(14)中，tc为位置c的停留时间；δtc为位置c的修正时间；
[0097]
当待修正位置为位置d时，所述修正公式为：
[0098]
td＝ts+2/ω+δtd；
ꢀꢀ
(15)
[0099]
式(15)中，td为位置d的停留时间；δtd为位置d的修正时间。
[0100]
本实施例比较得到的δea、δeb、δec、δed中的最小值，取其相应的修正时间δt不变，其它位置的修正时间置零。例如如果得到最小值为δec，则保持δtc不变，让δta、δtb、δtd为零，再根据(12)～(15)式计算出ta、tb、tc、td，作为下一个转动周期中a、b、c、d各个位置的停留时间，在下一转动周期中，则令四位置转停方案中四个位置的停留时间取上述计算得到的停留时间，然后每个完整转动周期后，根据上述过程重新计算ta、tb、tc、td，循环，直至导航结束。
[0101]
在上述转停方法中，用动态调整惯性测量组合在四个位置的停留时间的方式来保证一个转动周期后e
cs
的值最小，也就是让惯性测量组合航向角φu的积分正余弦值尽量处于最小值，从而使水平方向惯性元件的常值漂移误差得到最大程度的抵消，而不受载体航向角变化的影响。
[0102]
针对长航时、高精度捷联惯导，采用单轴旋转调制方式，四位置转停方案，该方案系统可靠性很高，但是没有隔离载体航向角变化。本实施例通过研究高动态情况下的四位置转停方案，对旋转机构的四位置转停时间进行了闭环控制，通过对航向角的正余弦进行积分，动态调整下一个转动周期中四位置的停留时间，从而尽可能小的减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响，弥补由于载体拐弯引起的惯导旋转调制误差。试验结果表明，该方法工程实现简单，措施有效，达到了实际工程应用状态，具有较高的应用推广价值。
[0103]
实施例2：
[0104]
本实施例用于提供一种高动态情况下惯导四位置转停系统，如图4所示，所述转停系统包括：
[0105]
转动模块m1，用于控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动，并采集所述转动周期内，所述惯性测量组合的航向角；
[0106]
计算模块m2，用于根据所述惯性测量组合的航向角计算下一所述转动周期的四个位置的停留时间，返回“控制惯性测量组合采用4个转停次序为一个转动周期的四位置转停方案进行转动”的步骤，直至导航结束。
[0107]
本实施例通过研究高动态情况下的四位置转停方案，对旋转机构的四位置转停时间进行了闭环控制。通过对航向角的正余弦进行积分，动态调整下一个转动周期中四位置的停留时间，从而尽可能小的减少航向角动态变化对旋转调制精度的影响，弥补由于载体拐弯引起的惯导旋转调制误差。试验结果表明，该方法工程实现简单，措施有效，达到了实际工程应用状态，具有较高的应用推广价值。
[0108]
实施例3：
[0109]
本实施例用于提供一种高动态情况下惯导四位置转停设备，包括：
[0110]
处理器；以及
[0111]
存储器，其中存储计算机可读程序指令，
[0112]
其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行如实施例1所述的转停方法。
[0113]
实施例4：
[0114]
本实施例用于提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述转停方法的步骤。
[0115]
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0116]
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。