基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，屬于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。本發(fā)明直接將陀螺輸出角速率進(jìn)行矢量叉乘，可以有效地補(bǔ)償剛體轉(zhuǎn)動(dòng)不可交換性誤差，同時(shí)前一姿態(tài)更新周期與當(dāng)前姿態(tài)更新周期內(nèi)數(shù)值積分得到的角增量進(jìn)行叉乘，進(jìn)一步提高了算法姿態(tài)解算精度，本發(fā)明有效地解決角速率輸出光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下姿態(tài)求解問題。
【專利說(shuō)明】基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，1976年美國(guó)猶他州立大學(xué)V.Vali和R.Shorthill教授首次提出了光纖陀螺(Fiber-Optic Gyroscope, FOG)的概念,光纖陀螺已成為慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的重要傳感器件。對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，有限轉(zhuǎn)動(dòng)的不可交換性誤差是其姿態(tài)解算的一個(gè)主要誤差源，雖然可以通過(guò)提高姿態(tài)更新頻率來(lái)減小不可交換性誤差，但是計(jì)算機(jī)的采樣頻率有限，不可能無(wú)限制地提高，因此有必要研究一種適用于載體高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的姿態(tài)算法。
[0003]1971年，Bortz提出了旋轉(zhuǎn)矢量微分方程，為一種全新的姿態(tài)算法提供了理論基礎(chǔ)，有效地解決了算法求解過(guò)程中存在的不可交換性誤差；在此基礎(chǔ)上，Miller提出了二子樣、三子樣誤差補(bǔ)償算法，而Lee在此基礎(chǔ)上又提出了四子樣算法Jiang提出了利用當(dāng)前周期與前一周期陀螺儀采樣信號(hào)進(jìn)行誤差補(bǔ)償新算法，能夠提高算法精度；Savage對(duì)前人工作進(jìn)行了總結(jié)，并就姿態(tài)更新算法的實(shí)現(xiàn)提出了一系列技巧，給出了完整的捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)算法編排和離散更新方法。這些算法的實(shí)現(xiàn)都是基于陀螺儀的角增量信息展開的，當(dāng)陀螺儀輸出為角速率信號(hào)時(shí)，利用數(shù)值積分方法將角速率信息轉(zhuǎn)換為角增量信息，然后直接應(yīng)用傳統(tǒng)圓錐誤差補(bǔ)償算法，算法精度會(huì)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，不能滿足載體高動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)姿態(tài)解算精度的要求。針對(duì)干涉型光纖陀螺角速率信號(hào)可直接得到的特點(diǎn)，有必要研究一種能夠直接利用陀螺儀輸出角速率信息進(jìn)行姿態(tài)解算算法，從而進(jìn)一步提高光纖陀螺儀的實(shí)際工程利用價(jià)值。
[0004]采用畢卡法求解四元數(shù)微分方程時(shí)，其過(guò)程是先計(jì)算出載體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的四元數(shù)Q⑴，再根據(jù)四元數(shù)和姿態(tài)矩陣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別求出姿態(tài)矩陣和姿態(tài)角。
[0005]四元數(shù)微分方程的畢卡求解法:.0
【權(quán)利要求】
1.一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其中所述光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程包括旋轉(zhuǎn)矢量計(jì)算模塊和四元數(shù)更新模塊，所述旋轉(zhuǎn)矢量表示載體姿態(tài)的變化，所述四元數(shù)表示載體相對(duì)于參考坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)方位， 所述的旋轉(zhuǎn)矢量計(jì)算模塊執(zhí)行以下步驟: (11)利用DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，在一個(gè)姿態(tài)更新周期內(nèi)，F(xiàn)PGA把光纖陀螺串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，對(duì)陀螺儀的輸出采樣(N+1)次，分別得到載體運(yùn)動(dòng)角速率?!>--?> ?N，其中N表示旋轉(zhuǎn)矢量子樣數(shù)； (12)利用數(shù)值積分方法對(duì)陀螺儀采樣值進(jìn)行積分，一個(gè)姿態(tài)更新周期內(nèi)陀螺儀角增量輸出Q大小為: 式中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(13)中，高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，利用角速率矢量叉乘項(xiàng)補(bǔ)償圓錐誤差對(duì)姿態(tài)解算精度的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(13)中，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)更新來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)圓錐運(yùn)動(dòng)是最惡劣的工作環(huán)境，會(huì)誘發(fā)數(shù)學(xué)平臺(tái)的嚴(yán)重漂移，以標(biāo)準(zhǔn)圓錐運(yùn)動(dòng)為算法優(yōu)化準(zhǔn)則，并利用泰勒級(jí)數(shù)展開對(duì)旋轉(zhuǎn)矢量算法進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)圓錐誤差補(bǔ)償系數(shù)Ki和G。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103712623SQ201410023748
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】程向紅, 胡杰, 馮驥 申請(qǐng)人:東南大學(xué)