一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法

本发明属于旋转式惯性导航系统框架间安装偏角标定，具体涉及一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法。

背景技术：

1、惯性导航系统是一种自主式导航定位定向系统，应用惯性测量的方式，以加速度计和陀螺仪构成的惯性测量单元为基础，利用导航计算机推算出运动物体的位置、速度以及姿态等导航参数。

2、旋转式惯导系统引入旋转框架，通过旋转调制可以自动补偿惯性器件常值和缓变误差，提高系统位置和速度精度；同时可通过合理的旋转策略激励误差，实现自标定，而无需转台等外部设施。但框架加工装配误差会引入框架间安装偏角，造成输出的载体姿态上存在较大震荡，旋转式惯导系统姿态输出精度下降。

3、在需要给运载器任务载荷提供姿态基准的场合、主子惯导之间需要进行姿态传递的场合，如传递对准、协同导航等，都对惯导输出姿态精度有要求。标定并补偿框架间安装偏角对提高姿态输出精度、提高主子惯导间对准精度等有着重要工程意义。现有的文献提出的框架间安装偏角标定方法主要以姿态为量测，在建模基础上使用最小二乘、卡尔曼等滤波方法，存在建模复杂、物理意义不清晰等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对上述存在问题，提出一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，实现旋转式惯导系统对框架间安装偏角简易快速的自标定及补偿。该方法利用旋转式惯导系统自身旋转机构，设计对应旋转方案激发误差，无需转台等外部设备；直接使用补偿过误差的陀螺输出，无需导航解算，实现框架间安装偏角的高精度标定；补偿后旋转式惯导系统姿态输出振荡得到明显抑制。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，包括以下步骤：

4、步骤1、控制旋转式惯导系统按设计的框架间安装偏角自标定旋转方案，分别绕内框轴、中框轴和外框轴以定常角速度进行连续正反转，同时记录陀螺原始数据；

5、步骤2、对原始数据进行处理，补偿陀螺误差后，利用正转和反转周期内角速度输出均值间的台阶差对旋转式惯导系统框架间安装偏角进行分步标定和补偿，补偿后旋转式惯导系统姿态输出振荡得到明显抑制。

6、进一步，所述步骤1中，框架间安装偏角自标定旋转方案具体分为以下3个步骤：

7、(1)中框和外框0°锁定，旋转式惯导系统绕内框轴以定常角速度进行n个周期的连续正反转；

8、(2)内框和外框0°锁定，旋转式惯导系统绕中框轴以定常角速度进行n个周期的连续正反转；

9、(3)内框和中框0°锁定，旋转式惯导系统绕外框轴以定常角速度进行n个周期的连续正反转。

10、进一步，所述步骤2中，分步标定和补偿方法如下：

11、所述标定方法具体如下：

12、(1)旋转式惯导系统绕内框轴转动时，惯性测量坐标系和内框坐标系间的安装偏角βzx和βzy的计算方法为：

13、

14、其中和分别为内框正转和反转时s系x方向角速度平均值，和分别为内框正转和反转时s系y方向角速度平均值，∫(·)是积分运算，φz是一个正转或反转周期内框光栅输出的绝对转角值；

15、n个正反转周期得到2n-1个台阶差值，最终标定结果为：

16、

17、βzx_i和βzy_i为第i个台阶差标定出的惯性测量坐标系和内框坐标系间的安装偏角，和为2n-1个台阶差标定出的惯性测量坐标系和内框坐标系间的安装偏角均值，n是步骤1中系统的正反转周期数，i＝1,2,3…2n-1。

18、(2)旋转式惯导系统绕中框轴转动时，将上述βzx和βzy两个安装偏角的标定结果补偿后，内框坐标系和中框坐标系间的安装偏角βxy和βxz的计算方法为：

19、

20、和分别为中框正转和反转时r1系y方向角速度平均值，和分别为中框正转和反转时r1系z方向角速度平均值，φx是一个正转或反转周期中框光栅输出的绝对转角值；

21、最终标定结果为：

22、

23、(3)旋转式惯导系统绕外框轴转动时，将上述βzx、βzy、βxy和βxz四个安装偏角的标定结果补偿后，中框坐标系和外框坐标系间的安装偏角βyx和βyz的计算方法为：

24、

25、和分别为外框正转和反转时r2系x方向角速度平均值，和分别为外框正转和反转时r2系z方向角速度平均值，φy是一个正转或反转周期外框光栅输出的绝对转角值；

26、最终标定结果为：

27、

28、所述补偿方法如下：

29、旋转式惯导系统框架间安装偏角通过姿态转换矩阵补偿，的表达式分别为：

30、

31、

32、

33、

34、其中，是s系到b系的姿态转换矩阵，是s系到r1系的姿态转换矩阵，是r1系到r2系的姿态转换矩阵，是r2系到r3系的姿态转换矩阵，是r3系到b系的姿态转换矩阵；φ1、φ2、φ3分别为旋转式惯导系统的内框、中框和外框光栅输出的绝对转角值；框架间安装偏角βzx、βzy、βxy、βxz、βyx和βyz由上述标定过程得到，i是单位阵。

35、本发明与现有技术相比的优点在于：

36、(1)本发明提出的旋转式惯导系统框架间安装偏角的自标定方法，根据正反转周期内角速度输出平均值的台阶差，多组求平均，很大程度上减小了涡动影响，实现了对框架间安装偏角的高精度标定。通过理论推导建立的自标定和补偿模型相较于滤波法建立的模型更为简易；使用台阶差计算，物理意义清晰。

37、(2)本发明利用惯导系统本身自带的旋转结构设计自标定旋转方案，无需转台等外部设施，无需进行导航解算，标定流程简单，数据处理计算简易。

38、(3)本发明对框架间安装偏角的标定精度高，结果带入系统后补偿效果好，姿态精度大幅提升。将标定出的框架间安装偏角补偿进旋转式惯导系统后，系统姿态输出振荡由最高700"降至15"以下。

39、(4)本发明适用范围广，可根据框架数目删减旋转过程，推广至各种带旋转机构的惯导系统。

技术特征：

1.一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，其特征在于：所述步骤1中，框架间安装偏角自标定旋转方案具体分为以下3个步骤：

3.根据权利要求1所述的一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，其特征在于：所述步骤2中，分步标定和补偿方法如下：

技术总结
本发明公开了一种旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，首先，旋转式惯导系统通电预热；其次，旋转式惯导系统控制框架按设计的旋转方案进行转动，同时记录陀螺原始数据；最后，对原始数据进行处理，补偿陀螺误差后，利用正转和反转周期内角速度输出均值间的台阶差对旋转式惯导系统框架间安装偏角进行分步标定和补偿。本发明提供了旋转式惯导系统框架间安装偏角自标定方法，利用旋转式惯导系统自带的旋转机构实现对框架间安装偏角的自标定，无需拆机，工程实用性强；直接使用补偿过误差的陀螺输出，无需导航解算；标定过程简易快速，标定精度高，对于提高惯导系统姿态输出精度有着重要意义。

技术研发人员：王玮,刘迪,路尧
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13