專利名稱：：船用旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種導(dǎo)航領(lǐng)域的初始姿態(tài)對準方法。
背景技術(shù)：
：高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)自動補償技術(shù)可以大幅度提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度，因此旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)已成了我國船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要研究對象。初始對準是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進行導(dǎo)航的前提，初始對準的精度將直接影響到系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。對于慣導(dǎo)系統(tǒng)單個位置的對準來說，對準精度直接受限于慣性元件的常值偏差大小，即無論采用經(jīng)典的二階調(diào)平回路及羅經(jīng)回路對準，還是采用卡爾曼濾波技術(shù)對準，系統(tǒng)的水平對準誤差均與系統(tǒng)東向和北向加速度計的常值偏差有關(guān)，特別是東向陀螺漂移引起較大的方位誤差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過旋轉(zhuǎn)IMU提高系統(tǒng)狀態(tài)誤差的可觀測性、從而提高系統(tǒng)的失準角以及慣性器件誤差的估計精度的船用旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明船用旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準方法，其特征是(1)將標定后的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在單軸轉(zhuǎn)臺上，啟動系統(tǒng)，采集陀螺儀輸出和加速度計輸出；(2)控制IMU繞天向軸在(-45°，+135°，+45°，-135°)的四個位置間循環(huán)運動的轉(zhuǎn)位方案來進行漂移誤差的自動補償，組成旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，設(shè)IMU在每個位置上停止相同的時間Ts，令每次轉(zhuǎn)動的角速度均為ω=π/TK，Tk為每次旋轉(zhuǎn)的時間，具體為IMU從第一點出發(fā)反轉(zhuǎn)180°到達第三點，停止時間Ts，IMU從第三點出發(fā)反轉(zhuǎn)90°到達第四點，停止時間Ts，IMU從第四點出發(fā)正轉(zhuǎn)180°到達第二點，停止時間Ts，IMU從第二點出發(fā)正轉(zhuǎn)90°到達第一點，停止時間Ts，IMU從第一點出發(fā)正轉(zhuǎn)180°到達第三點，停止時間Ts，IMU從第三點出發(fā)正轉(zhuǎn)90°到達第二，停止時間Ts，IMU從第二點出發(fā)反轉(zhuǎn)180°到達第四點，停止時間Ts，IMU從第四點出發(fā)反轉(zhuǎn)90°到達第一點，停止時間Ts，然后IMU按照上述順序循環(huán)運動；(3)建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程使用一階線性隨機微分方程來描述捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差為Xit)=F{t)X{t)+G{t)W{t)J其中X⑴為t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量，F(xiàn)(t)和G(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣，W(t)為系統(tǒng)的噪聲向量，船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不考慮高度通道，故設(shè)置系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X=[δVeδVnΨεΨνVχVyεχεyεJt,系統(tǒng)的白噪聲向量為ff(t)=其中ψΕ、ψΝ、Vu分別表示縱搖、橫搖和航向誤差角，δνΕ、δVn分別表示東向、北向的速度誤差，vx、Vy分別為X、Y軸加速度計的零偏，εχ、ey、εz分別為X、Y、ζ軸陀螺的常值漂移，ax、ay分別為X、Y軸加速度計的白噪聲誤差，ωχ、coy、ωζ分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為m權(quán)利要求船用旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準方法，其特征是(1)將標定后的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在單軸轉(zhuǎn)臺上，啟動系統(tǒng)，采集陀螺儀輸出和加速度計輸出；(2)控制IMU繞天向軸在45°、+135°、+45°、135°的四個位置間循環(huán)運動的轉(zhuǎn)位方案來進行漂移誤差的自動補償，組成旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，設(shè)IMU在每個位置上停止相同的時間Ts，令每次轉(zhuǎn)動的角速度均為ω＝π/TR，TR為每次旋轉(zhuǎn)的時間，具體為IMU從第一點出發(fā)反轉(zhuǎn)180°到達第三點，停止時間Ts，IMU從第三點出發(fā)反轉(zhuǎn)90°到達第四點，停止時間Ts，IMU從第四點出發(fā)正轉(zhuǎn)180°到達第二點，停止時間Ts，IMU從第二點出發(fā)正轉(zhuǎn)90°到達第一點，停止時間Ts，IMU從第一點出發(fā)正轉(zhuǎn)180°到達第三點，停止時間Ts，IMU從第三點出發(fā)正轉(zhuǎn)90°到達第二，停止時間Ts，IMU從第二點出發(fā)反轉(zhuǎn)180°到達第四點，停止時間Ts，IMU從第四點出發(fā)反轉(zhuǎn)90°到達第一點，停止時間Ts，然后IMU按照上述順序循環(huán)運動；(3)建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程使用一階線性隨機微分方程來描述捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差為<mrow><mover><mi>X</mi><mo>&CenterDot;</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>其中X(t)為t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量，F(xiàn)(t)和G(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣，W(t)為系統(tǒng)的噪聲向量，船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不考慮高度通道，故設(shè)置系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X＝[δVEδVNψEψNψU▽x▽yεxεyεz]T，系統(tǒng)的白噪聲向量為W(t)＝T，其中ψE、ψN、ψU分別表示縱搖、橫搖和航向誤差角，δVE、δVN分別表示東向、北向的速度誤差，▽x、▽y分別為X、Y軸加速度計的零偏，εx、εy、εz分別為X、Y、Z軸陀螺的常值漂移，ax、ay分別為X、Y軸加速度計的白噪聲誤差，ωx、ωy、ωz分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>F</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mn>0</mn><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mn>0</mn><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>系統(tǒng)噪聲系數(shù)矩陣為G(t)＝，其中<mrow><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>g</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>g</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><msub><mrow><mo>-</mo><mi>w</mi></mrow><mi>ie</mi></msub><mi>cos</mi><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>sin</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>w</mi><mi>ie</mi></msub><mi>cos</mi><mi>L</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mn>5</mn><mo>&times;</mo><mn>5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>式中g(shù)為當?shù)刂亓铀俣?，ωie為地球角速度，L為當?shù)氐乩砭暥?，Cij(i，j＝1，2，3)為捷聯(lián)矩陣中的元素，為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的捷聯(lián)矩陣；建立卡爾曼濾波的量測方程使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的量測方程為Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)，其中Z(t)表示t時刻系統(tǒng)的量測向量，H(t)表示系統(tǒng)的量測矩陣，V(t)表示系統(tǒng)的測量噪聲，系統(tǒng)量測矩陣為H(t)＝[I2×202×10]，量測量為<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>V</mi><mi>f</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>V</mi><mi>g</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>其中<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>g</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><msup><mi>g</mi><mi>i</mi></msup><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow><mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>f</mi><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><msup><mi>i</mi><mo>&prime;</mo></msup></msubsup><msup><mi>f</mi><mi>b</mi></msup><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow>fb表示加速度計測量值在載體坐標系的投影，表示重力加速度矢量在慣性系的積分，表示加速度計測量值在慣性系的積分；(4)根據(jù)卡爾曼濾波狀態(tài)方程和量測方程，給定系統(tǒng)的初始值初始對準完成，進入導(dǎo)航狀態(tài)。FSA00000254520100024.tif,FSA00000254520100025.tif,FSA00000254520100034.tif,FSA00000254520100035.tif,FSA00000254520100036.tif全文摘要本發(fā)明的目的在于提供船用旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準方法。首先采集陀螺儀輸出和加速度計輸出，然后控制IMU繞天向軸在-45°、+135°、+45°、-135°的四個位置間循環(huán)運動的轉(zhuǎn)位方案來進行漂移誤差的自動補償，組成旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，接著建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和量測方程，給定系統(tǒng)的初始值，初始對準完成。對于自身具有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，初始對準時可以克服慣性元件漂移對自對準的影響，提高對準精度；旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)通過改變系統(tǒng)誤差模型中的捷聯(lián)矩陣改善系統(tǒng)的可觀測性，提高了系統(tǒng)狀態(tài)參量的可估性以及估計精度。文檔編號G01C21/18GK101963512SQ201010270840公開日2011年2月2日申請日期2010年9月3日優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日發(fā)明者于飛,吳磊,奔粵陽,張勇剛,張鑫,徐博,李仔冰,王偉,高偉,黃平申請人:哈爾濱工程大學(xué)