利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法
【专利摘要】本发明提供一种利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，根据滤波的估计值可以实时修正导航系统的输出参数。第一步：静基座旋转式捷联惯导系统进行系统初始化；第二步：利用粗对准确定的姿态矩阵进行静基座导航解算；第三步：利用卡尔曼滤波估计载体姿态失准角、加速度计零偏、陀螺零偏、陀螺标度因数误差；第四步：将用各状态量估计值修正载体姿态矩阵和惯性器件参数，实现初始对准；第五步：使旋转式惯导系统的双轴按预定旋转方案周期性地旋转；第六步：利用卫星导航系统或地图匹配的位置信息作为外观测量信息进行卡尔曼滤波；第七步：以滤波估计结果实时修正惯导系统输出的导航参数。
【专利说明】利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法
【技术领域】
[0001]本发明属于旋转式惯导系统【技术领域】，涉及一种利用位置与速度外观测量信息的双轴旋转惯性导航系统对准及导航误差修正的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，旋转式惯导系统逐渐成为国内外导航领域的研究热点。旋转式惯导系统具有与平台式惯导相似的转动机构和测角装置，通过惯性测量单元(mu)的旋转抑制系统误差积累，但导航解算方法与捷联式系统一致。相对于传统捷联惯导系统，旋转式惯导系统的IMU具有可控的角运动特性，因此可以通过IMU旋转改变初始对准的可观测性，这提供了改善初始对准性能的新途径。目前基于MU旋转的初始对准方案包括可在传统的两位置方法基础上进一步提高可观测性的多位置对准方法，以及使IMU连续旋转的对准方案。
[0003]旋转式惯导系统初始对准估计的状态量主要包括姿态失准角、加速度计零偏和陀螺零偏，而在惯导系统的实际应用中，与惯性器件有关的误差还包括标度因数误差和安装误差。特别是标度因数与零偏一样可能具有逐次启动误差，为了提高导航精度，对准状态量也应包含这两类误差。本发明建立了双轴旋转式惯导系统的包括姿态失准角和惯性器件零偏、标度因数误差、安装误差在内的更全面的导航系统误差模型，通过可观测性分析设计出高可观测性的双轴旋转对准方案。在此基础上通过分析各状态量可观测度进行模型降阶，设计了兼顾对准精度和对准快速性的旋转式系统初始对准方案。舰船等载体上惯导系统通常作为观瞄设备和舰载武器传递对准的基准惯导系统，其输出信息的精度和可靠性十分重要。
【发明内容】
[0004]基于上述问题，本发明提供一种利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，根据滤波的估计值可以实时修正导航系统的输出参数，提高导航精度，仿真试验结果表明了所提方案的有效性。
[0005]该利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，包括以下步骤:
[0006]第一步:静基座旋转式捷联惯导系统进行系统初始化，装订位置，通过粗对准估计IMU姿态矩阵；
[0007]第二步:利用粗对准确定的姿态矩阵进行静基座导航解算，同时使旋转式惯导系统的双轴按预定的旋转方案周期性地旋转；
[0008]第三步:由于载体静基座条件下实际地速为零，导航解算得到的速度为速度误差，同理可得到位置误差，以位置与速度为外观测量，利用卡尔曼滤波估计载体姿态失准角、力口速度计零偏、陀螺零偏、陀螺标度因数误差；
[0009]第四步:滤波稳定后，将用各状态量估计值修正载体姿态矩阵和惯性器件参数，实现初始对准；
[0010]第五步:在导航系统进行导航工作过程中，使旋转式惯导系统的双轴按预定旋转方案周期性地旋转，旋转方案与第二步中规则相同；
[0011]第六步:利用卫星导航系统或地图匹配的位置信息作为外观测量信息进行卡尔曼滤波，状态量包括载体位置、速度、姿态失准角、以及陀螺的零偏和标度因数误差；
[0012]第七步:以滤波估计结果实时修正惯导系统输出的导航参数。
[0013]其中第二步中预定的旋转方案选择下述方案之一:
[0014]a.内环轴、外环轴单向连续旋转；
[0015]b.内环轴、外环轴连续旋转，每旋转一周改变转向；
[0016]c.内环轴、外环轴单向交替旋转，每个轴旋转一周则停止同时开始旋转另一轴，如此循环往复；
[0017]d.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后停止，然后由第二轴旋转一周，然后再由第一轴在反向旋转一周，然后再由第二轴反向旋转一周，如此循环往复；
[0018]e.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后再反向旋转一周，然后停止，然后由第二轴旋转一周后再反向旋转一周，如此循环往复；
[0019]其中方案a、c只有能在旋转惯导系统的旋转平台含有导电滑环的情况下使用，而且当IMU存在标度因数误差和安装误差的情况下因耦合产生新误差而不能采用。
[0020]上述各方案中内环轴、外环轴分别以恒定角速率ωι、ω2旋转，cojP ?2的范围为
0.6° /s 一 60° /s。
[0021]本发明的有益效果:
[0022]本发明建立了包括位置误差、地速误差、姿态失准角和惯性器件零偏、标度误差、安装误差等状态量的静基座双轴旋转式惯导系统误差模型。根据外观测量模型特点以及基于PWCS可观测性分析方法研究了不同初始对准外观测量以及惯性测量单元角运动方式下对可观测性的影响。设计出采用“位置+速度”外观测量的双轴旋转初始对准方案，其对准效果方面的优势经过了仿真实验验证。建立了旋转式惯导系统基于卡尔曼滤波的导航参数校正模型，为了改善导航计算机初始对准滤波计算的实时性，利用基于奇异值分解的可观测度分析方法进行模型降阶，降阶模型可使运算量降低80%以上，而且降阶模型的精度与原模型接近。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为MU处于不同角运动下的初始对准估计误差示意图；
[0024]图2速度误差的估计误差曲线示意图；
[0025]图3失准角的估计误差曲线示意图；
[0026]图4陀螺零偏误差的估计误差曲线示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步介绍。
[0028]1、旋转式惯导系统静基座对准的卡尔曼滤波模型
[0029]对于地球表面运动的车、船等载体使用的旋转式捷联惯导系统，在载体地速为O的情况下，系统的误差方程为:[0030]
【权利要求】
1.一种利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:静基座旋转式捷联惯导系统进行系统初始化，装订位置，通过粗对准估计IMU姿态矩阵； 第二步:利用粗对准确定的姿态矩阵进行静基座导航解算，同时使旋转式惯导系统的双轴按预定的旋转方案周期性地旋转； 第三步:由于载体静基座条件下实际地速为零，导航解算得到的速度为速度误差，同理可得到位置误差，以位置与速度为外观测量，利用卡尔曼滤波估计载体姿态失准角、加速度计零偏、陀螺零偏、陀螺标度因数误差； 第四步:滤波稳定后，将用各状态量估计值修正载体姿态矩阵和惯性器件参数，实现初始对准； 第五步:在导航系统进行导航工作过程中，使旋转式惯导系统的双轴按预定旋转方案周期性地旋转，旋转方案与第二步中规则相同； 第六步:利用卫星导航系统或地图匹配的位置信息作为外观测量信息进行卡尔曼滤波，状态量包括载体位置、速度、姿态失准角、以及陀螺的零偏和标度因数误差； 第七步:以滤波估计结果 实时修正惯导系统输出的导航参数。
2.如权利要求1所述的一种利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，其特征在于，其中第二步中预定的旋转方案选择下述方案之一: a.内环轴、外环轴单向连续旋转； b.内环轴、外环轴连续旋转,每旋转一周改变转向； c.内环轴、外环轴单向交替旋转,每个轴旋转一周则停止同时开始旋转另一轴,如此循环往复； d.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后停止，然后由第二轴旋转一周，然后再由第一轴在反向旋转一周，然后再由第二轴反向旋转一周，如此循环往复； e.内环轴、外环轴变向交替旋转，第一轴旋转一周后再反向旋转一周，然后停止，然后由第二轴旋转一周后再反向旋转一周，如此循环往复； 其中方案a、c只有能在旋转惯导系统的旋转平台含有导电滑环的情况下使用，而且当IMU存在标度因数误差和安装误差的情况下因耦合产生新误差而不能采用。
3.如权利要求2所述的一种利用外观测信息的双轴旋转惯导系统对准及误差修正方法，其特征在于，上述各方案中内环轴、外环轴分别以恒定角速率ωι、ω2旋转，ω,Ρ ?2的范围为 0.6° /s-60° /S。
【文档编号】G01C25/00GK103575299SQ201310565455
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】王博, 付梦印, 邓志红, 周元, 刘彤 申请人:北京理工大学