一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法
【專利摘要】一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法，有八大步驟：一、將慣導(dǎo)安裝轉(zhuǎn)臺上，確定載體的初始位置參數(shù)；二、確定光纖陀螺軸向與慣導(dǎo)本體坐標(biāo)系安裝關(guān)系；三、慣導(dǎo)預(yù)熱，采集光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行精標(biāo)定；四、使慣導(dǎo)位于固定位置東、北、天位置，采集光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)，標(biāo)定光纖陀螺零偏誤差并實時補(bǔ)償；五、在東、北、天坐標(biāo)系下繞X軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行第一次標(biāo)定參數(shù)修正；六、在東、北、天坐標(biāo)系下繞Y軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行第二次標(biāo)定參數(shù)修正；七、在東、北、天坐標(biāo)系下繞Z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行第三次標(biāo)定參數(shù)修正；八、通過第三次標(biāo)定參數(shù)修正，得到斜置光纖陀螺高精度的標(biāo)定參數(shù)零偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角結(jié)果。
【專利說明】一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光 纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 慣性技術(shù)是一項涉及多學(xué)科的綜合技術(shù)，它是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)技術(shù)、慣性儀 表技術(shù)、慣性測量技術(shù)以及有關(guān)系統(tǒng)和裝置技術(shù)的統(tǒng)稱。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依靠自身的慣性敏 感元件，不依賴任何外界信息測量導(dǎo)航參數(shù)，因此它不受天然的或人為的干擾，具有很好的 隱蔽性，是一種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003] 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定是通過比較系統(tǒng)中慣性器件的輸出和已知參考輸入，確定一組 參數(shù)使慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出與輸入相吻合的過程，慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)辨識和參數(shù)估 計，其目的是確定慣性器件組合的數(shù)學(xué)誤差模型或誤差數(shù)學(xué)的模型參數(shù)。慣導(dǎo)系統(tǒng)使用之 前必須進(jìn)行標(biāo)定，對器件零偏、標(biāo)度因數(shù)、安裝失準(zhǔn)角等參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)中器 件安裝方式與三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)有較大差異，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法在冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)中實現(xiàn)起來特別 繁瑣，而且精度較低。因此，新的適用于冗余系統(tǒng)的標(biāo)定方法已成為必然需求。
[0004] 慣導(dǎo)系統(tǒng)常用標(biāo)定方法主要有：分立式標(biāo)定法、模觀測標(biāo)定方法、系統(tǒng)級標(biāo)定方法 等。
[0005] 分立式標(biāo)定方法也稱為基于轉(zhuǎn)臺標(biāo)定方法，需要轉(zhuǎn)臺為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)輸入信息， 對轉(zhuǎn)臺精度要求較高，同時，分立式標(biāo)定過程依賴轉(zhuǎn)臺，一般只能在實驗室進(jìn)行。
[0006] 模觀測標(biāo)定方法是指基于慣導(dǎo)系統(tǒng)輸入加速度、角速度激勵的模分別和加速度計 比力測量、陀螺角速度測量的模相等的原理，以輸入加速度、角速度的模作為觀測，計算慣 導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)的方法。目前模觀測標(biāo)定計算采用迭代算法，其收斂性嚴(yán)重依賴標(biāo)定參數(shù)初值。
[0007] 系統(tǒng)級標(biāo)定方法主要基于導(dǎo)航解算誤差的原理：慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)之后，其 參數(shù)誤差（慣性器件參數(shù)誤差、初始對準(zhǔn)姿態(tài)誤差，初始位置誤差等）經(jīng)由導(dǎo)航解算會傳遞 到導(dǎo)航結(jié)果（位置、速度、姿態(tài)等）中去，表現(xiàn)為導(dǎo)航誤差，如能獲取導(dǎo)航誤差的全部或部分 信息，就可能對慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)做出估計。系統(tǒng)級標(biāo)定方法降低了對轉(zhuǎn)臺的精度要求，利用低 精度轉(zhuǎn)臺就可以達(dá)到較高的標(biāo)定精度，因此是現(xiàn)場標(biāo)定的理想方法。
[0008] 系統(tǒng)級標(biāo)定方法相對于其他標(biāo)定方法擁有較大優(yōu)勢，在現(xiàn)場標(biāo)定和高精度標(biāo)定的 場合，系統(tǒng)級標(biāo)定將占據(jù)重要地位。在冗余系統(tǒng)或者特定場合（如空間用單表陀螺等）中， 光纖陀螺并不一定按照笛卡爾坐標(biāo)系正交安裝，而是采用特定的斜置安裝方式以滿足特定 需求、提高系統(tǒng)可靠性和精度，傳統(tǒng)意義上標(biāo)定方法相對繁瑣、精度低甚至不再適用，因此， 斜置光纖陀螺高精度系統(tǒng)級標(biāo)定方法擁有重大需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提高冗余型光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)斜置光纖陀螺初始標(biāo)定精 度，提供了一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法，它是一種適用于 冗余光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)斜置光纖陀螺系統(tǒng)級精標(biāo)定方法。
[0010] 本發(fā)明一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法，該方法體步 驟如下：
[0011] 步驟一：將慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺上，確定載體的初始位置參數(shù)，包括經(jīng)度、緯度 等；
[0012] 步驟二：確定光纖陀螺軸向與慣導(dǎo)系統(tǒng)本體坐標(biāo)系安裝關(guān)系即安裝角，計算安裝 矩陣；
[0013] 步驟三：慣導(dǎo)系統(tǒng)預(yù)熱，在已有光纖陀螺粗略標(biāo)定參數(shù)（零偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角 等）基礎(chǔ)上（粗標(biāo)定完成），準(zhǔn)備采集光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行精標(biāo)定；
[0014] 光纖陀螺輸出的數(shù)據(jù)為載體相對于慣性參考系的角速度。
[0015] 步驟四：使慣導(dǎo)系統(tǒng)位于某一固定位置（如東、北、天位置），采集光纖陀螺輸出數(shù) 據(jù)，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角之間誤差作為觀測量，標(biāo)定光纖陀螺零偏誤差并實時 補(bǔ)償；
[0016] 步驟五：在東、北、天坐標(biāo)系下繞X軸以角速度《(角速度《應(yīng)遠(yuǎn)大于地球轉(zhuǎn)速， 忽略地球轉(zhuǎn)速影響）旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量， 進(jìn)行第一次標(biāo)定參數(shù)修正；
[0017] 步驟六：在東、北、天坐標(biāo)系下繞Y軸以角速度《(角速度《應(yīng)遠(yuǎn)大于地球轉(zhuǎn)速， 忽略地球轉(zhuǎn)速影響）旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量， 進(jìn)行第二次標(biāo)定參數(shù)修正；
[0018] 步驟七：在東、北、天坐標(biāo)系下繞Z軸以角速度《(角速度《應(yīng)遠(yuǎn)大于地球轉(zhuǎn)速， 忽略地球轉(zhuǎn)速影響）旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量， 進(jìn)行第三次標(biāo)定參數(shù)修正；
[0019] 步驟八：通過步驟七的第三次標(biāo)定參數(shù)修正，得到斜置光纖陀螺高精度的標(biāo)定參 數(shù)（零偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角）結(jié)果。
[0020] 其中，步驟四至步驟七中采用基于卡爾曼濾波技術(shù)的誤差標(biāo)定方法，利用轉(zhuǎn)臺姿 態(tài)角與系統(tǒng)姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量，通過卡爾曼濾波迭代，估計光纖陀螺零偏誤差、 標(biāo)度因數(shù)誤差及失準(zhǔn)角，對光纖陀螺粗標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正。具體步驟如下：
[0021] 步驟一：建立光纖陀螺標(biāo)定的系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程。
[0022] 若以冗余系統(tǒng)中所有光纖陀螺標(biāo)定參數(shù)構(gòu)建卡爾曼濾波器，最終只能得到標(biāo)定參 數(shù)最小二乘解，而非真實解。此處采用任意三個編號為a，b，c的光纖陀螺和加速度計構(gòu)建 一套子慣導(dǎo)系統(tǒng)。
[0023] 子慣導(dǎo)系統(tǒng)中光纖陀螺誤差項系統(tǒng)級精標(biāo)定卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程為：
[0024] Xg =AgXg+Wg (1)
[0025] 其中15維狀態(tài)矢量\ ，包括俯仰、橫滾及航向姿 態(tài)角誤差￥T ;光纖陀螺零偏殘差矢量：ABg ，光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差 殘差矢量：A^g =EM^Mg6,，光纖陀螺安裝失準(zhǔn)角殘差矢量：
[0026] A5g Jf。^表示系統(tǒng)狀態(tài)的微分，狀 態(tài)方程中15階方陣（狀態(tài)矩陣）可表示為如下形式：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方法，其特征在于：該方法 體步驟如下： 步驟一：將慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺上，確定載體的初始位置參數(shù)，包括經(jīng)度、緯度； 步驟二：確定光纖陀螺軸向與慣導(dǎo)系統(tǒng)本體坐標(biāo)系安裝關(guān)系即安裝角，計算安裝矩 陣； 步驟三：慣導(dǎo)系統(tǒng)預(yù)熱，在已有光纖陀螺粗略標(biāo)定參數(shù)零偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角基礎(chǔ)上， 準(zhǔn)備采集光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行精標(biāo)定；光纖陀螺輸出的數(shù)據(jù)為載體相對于慣性參考系的 角速度^4; 步驟四：使慣導(dǎo)系統(tǒng)位于某一固定位置東、北、天位置，采集光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)臺 姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角之間誤差作為觀測量，標(biāo)定光纖陀螺零偏誤差并實時補(bǔ)償； 步驟五：在東、北、天坐標(biāo)系下繞X軸以角速度《旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng) 姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量，進(jìn)行第一次標(biāo)定參數(shù)修正； 步驟六：在東、北、天坐標(biāo)系下繞Y軸以角速度《旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng) 姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量，進(jìn)行第二次標(biāo)定參數(shù)修正； 步驟七：在東、北、天坐標(biāo)系下繞Z軸以角速度《旋轉(zhuǎn)一周，以轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與慣導(dǎo)系統(tǒng) 姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量，進(jìn)行第三次標(biāo)定參數(shù)修正； 步驟八：通過步驟七的第三次標(biāo)定參數(shù)修正，得到斜置光纖陀螺高精度的標(biāo)定參數(shù)零 偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于姿態(tài)觀測的冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺系統(tǒng)級標(biāo)定方 法，其特征在于：步驟四至步驟七中采用基于卡爾曼濾波技術(shù)的誤差標(biāo)定方法，利用轉(zhuǎn)臺姿 態(tài)角與系統(tǒng)姿態(tài)角之間的誤差作為觀測量，通過卡爾曼濾波迭代，估計光纖陀螺零偏誤差、 標(biāo)度因數(shù)誤差及失準(zhǔn)角，對光纖陀螺粗標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正，具體步驟如下： 步驟一：建立光纖陀螺標(biāo)定的系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程； 若以冗余系統(tǒng)中所有光纖陀螺標(biāo)定參數(shù)構(gòu)建卡爾曼濾波器，最終只能得到標(biāo)定參數(shù)最 小二乘解，而非真實解，此處采用任意三個編號為a，b，c的光纖陀螺和加速度計構(gòu)建一套 子慣導(dǎo)系統(tǒng)； 子慣導(dǎo)系統(tǒng)中光纖陀螺誤差項系統(tǒng)級精標(biāo)定卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程為： Xg-AX +Wg (1) 其中15維狀態(tài)矢量\=[11/,^^/,八它/，^/，沖/1，包括俯仰、橫滾及航向姿態(tài) 角誤差Vt;光纖陀螺零偏殘差矢量：ABg= [ ABga，ABgb，ABgJ1,光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差 殘差矢量：AS：g ，光纖陀螺安裝失準(zhǔn)角殘差矢量： 妨，[&^，&^,為；]7'，八^;=[欲^欲；，發(fā)^]'釔表示系統(tǒng)狀態(tài)的微分，狀態(tài)方 程中15階方陣即狀態(tài)矩陣，表示為如下形式：
其中Agl和Ag2表示為如下形式：
<?，<y，表示地球自轉(zhuǎn)角速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系n系下的投影，下標(biāo)的x，y及z表示 沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸；g為子慣導(dǎo)系統(tǒng)的配置矩陣fi =[h,,,hMh,.f， 其中 Iii = [cos ( a D cos ( 3 J ] .i+lisir^ a ) cos ( 3 J ] ? j+[sin( 3 J ] *k(i = a, b，c), 這里比，i，j和k表示軸Hi, Xb，Yb和Zb上的單位矢量，a i表示比在Xb-Yb平面上的投影向量 與軸的夾角，P i表示平面的夾角，對角線矩陣=diag |h^ ? , * m^b ? ht. * ￠0^ | ? 〇>：；表示載體系即b系相對慣性系即i系角速度在b系下的投影，即是陀螺輸出角速度值； Pffl = diag {p;, ? of,, p, ? mbib, Pc ? 〇f6} ^ 其中 Pi = [Sin(Cti)COS(^i) -COS(Cti)COS(^i) 0]; Qffl = diag{(\a <,qb ? &bib,qc ? tof,} ^ 其中Qi= [-COS(Cti)Sin(Pi) -Sin(Cti)Sin(Pi) COS(Pi)IUG'為轉(zhuǎn)臺所示捷聯(lián)姿 態(tài)矩陣； 假設(shè)?g為系統(tǒng)噪聲方差陣，式（1)中^為服從正態(tài)分布N(0, ?g)的系統(tǒng)噪聲，滿足 如下條件：
以姿態(tài)誤差作為觀測量構(gòu)建卡爾曼濾波器的量測方程，形式如下： Zg = FgXg+gV (6) 上式中狀態(tài)矢量xg的定義與式a)相同，觀測量z a,.-叉,泛-泛]T，其中 L，9 y，9 2為系統(tǒng)解算姿態(tài)，久及為轉(zhuǎn)臺姿態(tài)；量測矩陣匕為15階方陣，表示為如下形 式：
假設(shè)Rg為量測噪聲方差陣，式（11)中\(zhòng)為服從正態(tài)分布N(0，Rg)的系統(tǒng)噪聲，滿足如 下條件：
步驟二：對系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行離散化； 對步驟一建立的系統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行估計，需要對系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行離散化；離散化采 用泰勒級數(shù)展開，則：
其中：O (k+l，k)為狀態(tài)一步轉(zhuǎn)移矩陣、I為十五階單位陣、A(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,T為 濾波周期； 系統(tǒng)模型噪聲的方差為：
其中：Q(k)為離散系統(tǒng)噪聲方差陣、Q連續(xù)系統(tǒng)噪聲方程強(qiáng)度陣、A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； 步驟三：進(jìn)行卡爾曼濾波狀態(tài)估計； 對卡爾曼濾波器進(jìn)行迭代，狀態(tài)預(yù)測估計方程、方差預(yù)測方程、狀態(tài)預(yù)測估計方程、方 差迭代方程以及濾波增益方程表示為如下形式：
最后估計得到冗余系統(tǒng)中斜置光纖陀螺零偏誤差、標(biāo)度因數(shù)誤差以及失準(zhǔn)角的標(biāo)定結(jié) 果，并對粗標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正。
【文檔編號】G01C25/00GK104344836SQ201410599074
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】宋來亮, 冉龍俊, 戴晨沖, 晁代宏 申請人:北京航空航天大學(xué)