一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法
【专利摘要】本发明提出一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，改善了摇摆基座下粗对准的精度。第一步：在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转；第二步：在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值；第三步：在每一采样周期根据陀螺输出的角速度进行姿态矩阵更新求出当前时刻从当地凝固IMU坐标系到IMU坐标系的方向余弦矩阵；第四步：求出本采样周期从当地凝固IMU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵的估计值；第五步：求出得到从当地凝固IMU坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵的最终估计值；第六步：得到粗对准结束时刻IMU的姿态矩阵。
【专利说明】一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法
【技术领域】
[0001]本发明属于捷联式惯导系统【技术领域】，涉及一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法。
【背景技术】
[0002]捷联式惯导系统的初始对准过程分为两个阶段:粗对准与精对准。粗对准的主要任务是估计姿态矩阵的近似值，为捷联惯导系统提供一个基本参考数学平台；在精对准阶段进一步通过状态滤波等方法估计出姿态矩阵的误差，从而得到更精确的数学平台，在此基础上进行导航解算。粗对准的精度会影向到精对准的收敛速度和精度，进而影响导航解算的精度，因此提高粗对准精度对惯性导航系统性能具有重要意义。
[0003]传统的解析式粗对准根据陀螺仪和加速度计的输出计算载体的姿态矩阵初值，但当载体受到震荡等随机干扰时，惯性器件输出信噪比降低，对准精度下降。以往的研究利用基于凝固惯性坐标系的粗对准方法通过积分运算抑制载体振荡干扰信号。但加速度计输出中除了扰动误差外还含有零偏误差，随积分积累仍会导致粗对准精度降低。而扰动误差的补偿又依赖于上述积分过程，所以捷联惯导的凝固惯性系粗对准方法存在一定局限。
[0004]近年来基于惯性测量单元(MU)旋转的误差补偿技术在惯性导航领域得到广泛应用。旋转式惯导系统具有与平台式惯导相似的环架，通过MU旋转抑制系统误差积累；同时旋转机构也给IMU提供了可控的角运动特性，可以辅助改善旋转式惯导初始对准可观测性。我们可以借助于凝固惯性系假设，并将旋转调制技术引入粗对准环节，将两个通道的惯性器件零偏调制成正弦信号，再通过无限长单位冲激响应(IIR)低通滤波器滤除调制后的零偏，从而抑制粗对准误差。但此方法只能抑制部分通道的零偏，而且引入滤波器将增加粗对准运算量，从而增加导航系统的复杂性并且影响对准的实时性。
【发明内容】
[0005]对于小幅震荡的载体的粗对准，本发明提出一种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，改善了摇摆基座下粗对准的精度，该方法实现简便，运算量低，适合工程应用。
[0006]该种基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，包括以下步骤:
[0007]第一步:在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转;
[0008]第二步:在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值；
[0009]第三步:在每一采样周期根据陀螺输出的角速度进行姿态矩阵更新求出当前时刻从当地凝固IMU坐标系到IMU坐标系的方向余弦矩阵；
[0010]第四步:根据当前时刻IMU姿态矩阵估计值和当前时刻从当地凝固IMU坐标系到IMU坐标系的方向余弦矩阵求出本采样周期从当地凝固IMU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵的估计值；[0011]第五步:对粗对准过程各时刻求得的从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵求平均值，得到从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵的最终估计值；
[0012]第六步:根据第五步求得的从当地凝固IMU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵乘以粗对准结束时刻由姿态更新得到的从MU坐标系到当地凝固MU坐标系的方向余弦矩阵，即得到粗对准结束时刻IMU的姿态矩阵。
[0013]第一步中预设的旋转方案包括如下方案:
[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ω1、ω2旋转，ω?和ω2的范围为 0.6。/ S—60。/ S。
[0021]本发明的有益效果:
[0022]本发明针对处于小幅低频摇摆状态的载体的粗对准，提出了当地凝固IMU坐标系(Po)的概念，利用基于Po坐标系的姿态更新修正各周期粗对准估计值，从而可以继续通过旋转调制和求平均值的方法补偿惯性器件零偏造成的粗对准误差。仿真实验表明，在摇摆基座条件下，尽管载体摇摆、振荡的干扰信号将削弱求平均值运算的误差抑制作用，但基于当地凝固IMU坐标系的旋转式粗对准方法仍能有效抑制惯性器件零偏造成的误差，从而提高粗对准精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为摇摆基座粗对准仿真实验失准角示意图。
【具体实施方式】
[0024]当实际应用中舰船等载体处于小幅低频摇摆、振荡状态时，载体姿态矩阵<+ ';不再为常值，为解决这一问题，引入当地凝固MU坐标系Ptl来设计相应的改进解析法粗对准。
[0025]当地凝固IMU坐标系Ptl的定义为:在导航坐标系(地理坐标系)下与初始时刻的IMU坐标系重合,并始终保持与地理坐标系相对静止，即坐标原点与当地地理坐标系η重合，与η系的方向余弦矩阵为常值，并与η系同步绕地心惯性坐标系i旋转的坐标系。
[0026]粗对准的求平均值应针对常值姿态矩阵，在摇摆基座下根据Ptl系定义选择常值矩
阵在各采样点其计数方法为:[0027]
【权利要求】
1.基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:在粗对准过程中使旋转式惯导系统的双轴按预设的旋转方案周期性地旋转； 第二步:在IMU的每一采样周期均采用解析法求出IMU的姿态矩阵估计值； 第三步:在每一采样周期根据陀螺输出的角速度进行姿态矩阵更新求出当前时刻从当地凝固IMU坐标系到IMU坐标系的方向余弦矩阵； 第四步:根据当前时刻頂U姿态矩阵估计值和当前时刻从当地凝固MU坐标系到IMU坐标系的方向余弦矩阵求出本采样周期从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵的估计值； 第五步:对粗对准过程各时刻求得的从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵求平均值，得到从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵的最终估计值； 第六步:根据第五步求得的从当地凝固MU坐标系到地理坐标系的常值方向余弦矩阵乘以粗对准结束时刻由姿态更新得到的从MU坐标系到当地凝固MU坐标系的方向余弦矩阵，即得到粗对准结束时刻IMU的姿态矩阵。
2.如权利要求1所述的基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，其特征在于，第一步中预设的旋转方案包括如下方案: 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所述的基于旋转调制的摇摆基座惯导系统粗对准方法，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ω?、ω2旋转，ω?和ω2的范围为`0.6。/ s—600 / S0
【文档编号】G01C25/00GK103575300SQ201310565974
【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】付梦印, 王博, 邓志红, 周元, 刘彤 申请人:北京理工大学