专利名称：一种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于Butterworth (巴特沃兹)数字滤波的单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，属于惯性技术领域中减小导航信息误差的抑制方法。
背景技术：
捷联惯导系统(SINS)是将惯性组件(陀螺仪和加速度计)直接安装在载体上的一种全自主导航系统。它不需要任何外界信息，利用采集惯性组件测量载体运动的线运动和角运动信息，经导航解算连续输出载体的速度、位置和姿态信息。由于SINS具有体积小、重量轻、易于维护、可靠性高等优点被广泛用于航空、航天、航海等领域。但是，由于惯性组件常值偏差的存在，导致系统定位误差随时间发散而不断增大是制约SINS长时间导航的重要因素之一。为了提高系统定位精度，一方面可以提高惯性元件精度，但是由于受加工技术水平的限制，无限制的提高元件精度是很难实现的；另一方面就是采取捷联惯性导航系统的误差抑制技术，自动抵消惯性器件的误差对系统精度的影响。这样就可以应用现有精度的惯性元件构成较高精度的捷联惯性导航系统。旋转调制技术是一种惯性器件偏差自补偿方法，该方法通过旋转机构带动惯性组件有规律的转动，对惯性器件常值偏差的调制来抵消该误差项对系统的影响，进而提高系统定位精度。虽然旋转调制能够有效地抑制定位误差发散，但同时又给速度等导航信息带来了新误差，制约了速度信息的可用性。对于工作在单轴正反转停旋转方案的捷联惯导系统:转动过程中，系统解算速度误差中，出现了与旋转转速有关的新振荡误差；停位过程中，一次旋转运动变换IMU停位位置后，器件常值偏差在导航系投影有所变化，从而使得系统中引入了新的扰动，导致速度误差再一次激励舒勒、地球周期振荡。也就是说，每变换一个停位位置，在停位时间段内，就会重新激励振荡误差。在CNKI库中公开报道有:1.《系统级双轴旋转调制捷联惯导误差分析及标校》，该文章主要提出了一种系统级双轴旋转调制式捷联惯导工程实现方案，找出了影响系统长航时导航精度的误差源。2.《旋转激光陀螺惯导系统误差传播特性分析》，该文章主要对单轴旋转式激光陀螺惯导系统的误差传播特性进行了深入研究，针对单轴正反转停旋转方案，对各误差项调制效果进行了分析。3.《旋转惯导系统中转轴方向对系统调制精度的影响》，本文主要分析了单轴旋转惯导系统中转台转轴方向对系统精度的影响。以上文献都在于抑制发散式定位误差，并没有提及旋转调制对系统解算速度信息精度及适用性的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，基于Butterworth数字滤波器，将旋转调制惯导系统解算速度信息作为输入，通过以旋转角速度为依据而设计的Butterworth数字滤波器滤除速度误差中导航系下与旋转角速度有关的振荡误差项，提高速度精度，增强系统解算速度信息的适用性。
—种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，包括以下步骤:步骤一:通过全球定位GPS系统采集载体位置信息，并装订至导航计算机中；步骤二:将旋转机构转动至IMU系与载体系重合的位置，有Cj=I谋中b表示载体坐标系，s表示IMU坐标系，Cm示s系到b系转换矩阵，I表示单位阵；将光纤陀螺捷联惯导系统进行充分预热后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据；得到载体的角运动信息和线运动信息；角运动信息包括角速度值，线运动信息包括比力值；步骤三:旋转机构带动惯性组件以ω进行单轴正反转停运动；采用八个转停次序为一个旋转周期的旋转方案；步骤四:实时采 集光纤陀螺仪和石英加速度计测量载体运动的线速度和角速度信息，导航解算得到导航信息 ；步骤五:构造Butterworth带阻滤波器，将导航系下得到的载体速度进行Butterworth滤波器处理，滤除导航系下与旋转角速度有关的振荡误差项，滤波后的速度作为最终导航解算输出信息。本发明的优点在于:本发明针对调制型捷联惯导系统解算导航信息中速度误差形式，在得出调制过程中速度误差的具体形式后，通过旋转角速度设计了 Butterworth带阻滤波器，将导航系下解算出的载体速度进行带阻滤波器处理，滤除导航系下与旋转角速度有关的振荡误差项，滤波后的速度作为最终导航解算输出信息，提高了速度信息精度，增强了该信息的适用性。
图1是本发明的方法流程图；图2为本发明的步骤三中IMU四位置转停示意图；图2a为① ④旋转过程；图2b为⑤ ⑧旋转过程；图3为本发明步骤三构造的Butterworth滤波器幅频响应曲线；图4为本发明实施例1中利用Visual C++仿真得到滤波前后速度误差比较曲线； 图5为本发明实施例2中利用单轴转台试验得到滤波前后速度误差比较曲线。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，方法流程如图1所示，包括以下步骤:步骤一:通过全球定位GPS系统采集载体位置信息，并装订至导航计算机中；导航初始时刻，通过全球定位GPS系统采集初始时刻载体位置信息、速度信息，并装订至导航计算机中。载体位置信息包括载体所在位置的经度、纬度信息。导航过程中，利用该初始信息进行更新，得到任意时刻载体的速度、位置。步骤二:将旋转机构转动至IMU系与载体系重合的位置，有0 = I。其中b表示载体坐标系，s表示IMU坐标系，C:表示s系到b系转换矩阵，I表示单位阵。将光纤陀螺捷联惯导系统进行充分预热后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据，得到载体的角运动信息和线运动信息。角运动信息包括角速度值,线运动信息包括比力值。根据加速度计输出的比力值与重力加速度关系、以及陀螺仪输出的角速度值与地
球自转角速度关系，确定载体姿态角，完成系统初始对准，建立惯导系统初始捷联矩阵C::
权利要求
1.一种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:通过全球定位GPS系统采集载体位置信息，并装订至导航计算机中； 导航初始时刻，通过全球定位GPS系统采集初始时刻载体位置信息、速度信息，并装订至导航计算机中；载体位置信息包括载体所在位置的经度、纬度信息； 导航过程中，利用该初始信息进行更新，得到任意时刻载体的速度、位置； 步骤二:将旋转机构转动至IMU系与载体系重合的位置，有=1 ;其中b表示载体坐标系，s表示IMU坐标系，€丨表示s系到b系转换矩阵，I表示单位阵；将光纤陀螺捷联惯导系统进行充分预热后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据；得到载体的角运动信息和线运动信息；角运动信息包括角速度值,线运动信息包括比力值； 根据加速度计输出的比力值与重力加速度关系、以及陀螺仪输出的角速度值与地球自转角速度关系，确定载体姿态角，完成系统初始对准，建立惯导系统初始捷联矩阵 :
全文摘要
本发明公开了一种单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统速度误差抑制方法，包括步骤一通过全球定位GPS系统采集载体位置信息；步骤二采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据；步骤三旋转机构带动惯性组件以ω进行单轴正反转停运动；采用八个转停次序为一个旋转周期的旋转方案；步骤四实时采集光纤陀螺仪和石英加速度计测量载体运动的线速度和角速度信息，导航解算得到导航信息；步骤五构造Butterworth带阻滤波器，将导航系下得到的载体速度进行Butterworth滤波器处理。本发明通过旋转角速度设计了Butterworth带阻滤波器，滤除导航系下与旋转角速度有关的振荡误差项，提高了速度信息精度。
文档编号G01C21/16GK103090866SQ201310005528
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月8日 优先权日2012年11月2日
发明者孙枫, 王秋滢, 齐昭, 高伟, 高峰 申请人:哈尔滨工程大学