發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種靜基座下慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法。
背景技術(shù):
平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(又稱慣性平臺(tái))具有自主性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、短時(shí)精度高以及導(dǎo)航頻率高等其他導(dǎo)航系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此,在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)取得厘米級(jí)精度的情況下,高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仍作為某些運(yùn)載體(如飛機(jī)、火箭、航天飛機(jī)、潛艇等)的核心導(dǎo)航系統(tǒng)。然而,作為一種遞推式自主導(dǎo)航系統(tǒng),慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)在使用前需要完成兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作,即標(biāo)定和初始對(duì)準(zhǔn),而標(biāo)定和對(duì)準(zhǔn)的誤差將會(huì)累積到系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差中,且會(huì)隨導(dǎo)航時(shí)間推移逐漸變大。因此,先進(jìn)的慣性平臺(tái)自標(biāo)定和自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是快速提高慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的低成本、高效率手段。正因如此,高性能的慣性平臺(tái)自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
在眾多慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法之中,連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是一種適用于慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度、低成本的自標(biāo)定和自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。公開文獻(xiàn)表明,現(xiàn)有的慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)均是基于失準(zhǔn)角模型和框架角模型進(jìn)行研究的。然而失準(zhǔn)角模型則需要系統(tǒng)首先滿足小角度假設(shè)條件,這在現(xiàn)實(shí)中很難保證,特別是在濾波過程中,需要實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力要求較為苛刻??蚣芙悄P蛣t會(huì)引入框架角觀測(cè)誤差、框架安裝誤差、平臺(tái)基座安裝誤差等,降低了標(biāo)定和對(duì)準(zhǔn)的精度。此外,框架角系統(tǒng)模型具有一定局限性,不適用于全姿態(tài)三框架四軸等慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的,就是針對(duì)上述問題,提出一種慣性平臺(tái)靜基座下連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法。該方法將慣性平臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)與標(biāo)定視為整體,采用姿態(tài)角作為系統(tǒng)中間狀態(tài)量,建立系統(tǒng)模型,從而從根源上避免了框架角或失準(zhǔn)角模型導(dǎo)致系統(tǒng)可能奇異的弊端。其次,針對(duì)系統(tǒng)非線性、高維的特點(diǎn),本發(fā)明中采用降維容積kalman濾波(reducedcubaturekalmanfilter,rdckf)算法,在保證系統(tǒng)精度的同時(shí)大幅度的降低了計(jì)算量。利用該方法可以大幅度的提高慣性平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度,具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和工程指導(dǎo)意義。
本發(fā)明的連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法步驟如下:第一步,系統(tǒng)坐標(biāo)系建立;第二步,系統(tǒng)建模;第三步,慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾加矩方案設(shè)計(jì);第四步,慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)算法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種靜基座下慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法,其特征在于,包括以下步驟:
s1、建立系統(tǒng)坐標(biāo)系,具體為:
如圖1和圖2所示,根據(jù)慣性平臺(tái)與慣性儀表之間的裝配關(guān)系,所述慣性儀表包括單自由度三浮陀螺儀gx、gy、gz以及石英加速度計(jì)qx、qy、qz,定義如下坐標(biāo)系:
平臺(tái)坐標(biāo)系p系:取平臺(tái)幾何中心o為原點(diǎn),oxp軸與qx石英加速度計(jì)敏感軸平行,oyp軸平行于qx和qy石英加速度計(jì)敏感軸所確定的平面,并與oxp軸垂直,ozp軸與oxp軸和oyp軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系;
單自由度陀螺儀坐標(biāo)gi系,i=x,y,z:坐標(biāo)軸分別與該陀螺儀的輸入軸i、輸出軸o和自轉(zhuǎn)軸s平行;
陀螺儀敏感軸坐標(biāo)sg系:坐標(biāo)軸與三個(gè)單自由度陀螺儀的輸入軸方向一致,由于陀螺儀安裝誤差角的存在,該坐標(biāo)系為非正交坐標(biāo)系;
單自由度加速度計(jì)坐標(biāo)ai系,i=x,y,z:原點(diǎn)o與平臺(tái)中心重合,坐標(biāo)系各軸分別與石英加速度計(jì)i的輸入軸i、擺軸p和輸出軸o平行;
加速度計(jì)敏感軸坐標(biāo)sa系:原點(diǎn)o與平臺(tái)中心重合,坐標(biāo)軸與三個(gè)石英加速度計(jì)的輸入軸方向一致,由于加速度計(jì)安裝誤差角的存在,該坐標(biāo)系為非正交坐標(biāo)系;
計(jì)算平臺(tái)坐標(biāo)c系:將計(jì)算機(jī)所建立的數(shù)字平臺(tái)坐標(biāo)系定義為計(jì)算平臺(tái)坐標(biāo)系,由于初始對(duì)準(zhǔn)誤差、安裝誤差、陀螺儀漂移等誤差因素,使得該坐標(biāo)系與p系并不重合,存在小角度偏差;
導(dǎo)航坐標(biāo)n系:選擇當(dāng)?shù)氐乩硐底鳛閷?dǎo)航坐標(biāo)系,即北天東坐標(biāo)系;
慣性坐標(biāo)i系:選擇導(dǎo)航初始時(shí)刻的當(dāng)?shù)氐乩硐底鳛閼T性坐標(biāo)系;
令平臺(tái)系p至導(dǎo)航系n的歐拉角分別為γ、β和α,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)序?yàn)?-2-1轉(zhuǎn)序,二者之間的方向余弦矩陣可表示為
s2、系統(tǒng)建模,包括:
s21、建立慣性儀表誤差模型:
對(duì)gx陀螺儀,單自由度三浮積分陀螺儀漂移表示為:
εx=dfx+dixagxi+doxagxo+dsxagxs+wx(公式2)
其中dfx為陀螺儀零偏,dix、dox和dsx為gx陀螺儀一次項(xiàng)系數(shù),靜基座下,有
其中g(shù)n為重力矢量在導(dǎo)航系下投影,
對(duì)qx加速度計(jì),單自由度石英加速度輸出方程可表示為
其中ka0x為加速度計(jì)常值零偏,ka1x和
其中
根據(jù)陀螺力矩器的線性偏差,其誤差模型可表示為:
ωout=(i3+△kg)ωcmd,
其中δkgx、δkgy和δkgz分別表示三個(gè)陀螺儀的力矩誤差系數(shù);
s22、建立慣性儀表安裝誤差模型:
假設(shè)慣性器件的安裝誤差角均滿足小角度假設(shè),p系至sa與sg系的姿態(tài)矩陣可分別寫為
其中θ與δ分別記為加速度計(jì)與陀螺儀安裝誤差角,下標(biāo)ij,i=x,y,z,j=i,o,s,p;表示i方向上的慣性器件沿j軸的安裝誤差;
s23、建立系統(tǒng)模型:
令系統(tǒng)狀態(tài)量為
忽略平臺(tái)各誤差系數(shù)之間的乘積,所建立的系統(tǒng)模型為:
其中:
s3、慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾加矩:
慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾加矩方案中平臺(tái)相對(duì)導(dǎo)航系角速度指令
s31、平臺(tái)歸零,即
s32、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)1800s;
s33、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞東旋轉(zhuǎn)900s;
s34、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)1800s;
s35、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)900s;
s36、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)900s;
s37、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
s38、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)900s;
s39、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
s310、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞東旋轉(zhuǎn)900s;
s311、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
s312、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)900s;
s313、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
s314、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞南旋轉(zhuǎn)900s;
s315、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
s316、臺(tái)體以0.1°/s相對(duì)地理系繞東旋轉(zhuǎn)900s;
s317、平臺(tái)跟蹤地理系,相對(duì)靜止600s,即
整個(gè)方案共計(jì)旋轉(zhuǎn)3圈,需14400s(4h);
根據(jù)上述步驟,獲得平臺(tái)施矩指令角速度ωcmd:
其中
圖3給出了慣性平臺(tái)加矩指令角速度曲線的示意圖;
s4、慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn):
假設(shè)tk-1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)量的統(tǒng)計(jì)特性為
其中:
狀態(tài)量預(yù)測(cè)更新方程:
量測(cè)量預(yù)測(cè)更新方程方程,利用
χi,k/k-1=hk(ξi,k/k-1)+rk-1,i=1,2,…,2n(公式21)
濾波器更新方程:
當(dāng)濾波步數(shù)k取到終點(diǎn)時(shí),即可獲得狀態(tài)量x,即θa和ξ的估計(jì)值,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)和誤差系數(shù)的標(biāo)定。
經(jīng)過上述四步可最終建立一種慣性平臺(tái)靜基座下連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)方法。該方法具有“精度高、計(jì)算速度快、方法誤差小”等特征,能夠滿足高精度慣性平臺(tái)自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)任務(wù)需求。
本發(fā)明的有益效果為,本發(fā)明的方法以平臺(tái)姿態(tài)角作為中間量,建立了系統(tǒng)模型,利用降維容積kalman濾波技術(shù),實(shí)現(xiàn)了慣性平臺(tái)快速高精度的自標(biāo)定與自對(duì)準(zhǔn),提高了慣性平臺(tái)的導(dǎo)航精度,具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和工程指導(dǎo)意義。
附圖說明
圖1為慣性平臺(tái)幾何結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為慣性儀表裝配示意圖
圖3為慣性平臺(tái)加矩指令角速度曲線示意圖
圖4為姿態(tài)角α跟蹤誤差曲線
圖5為姿態(tài)角β跟蹤誤差曲線
圖6為姿態(tài)角γ跟蹤誤差曲線
圖7為dfx濾波曲線與真值曲線示意圖
圖8為dfy濾波曲線與真值曲線示意圖
圖9為dfz濾波曲線與真值曲線示意圖
圖10為dix濾波曲線與真值曲線示意圖
圖11為diy濾波曲線與真值曲線示意圖
圖12為diz濾波曲線與真值曲線示意圖
圖13為dox濾波曲線與真值曲線示意圖
圖14為doy濾波曲線與真值曲線示意圖
圖15為doz濾波曲線與真值曲線示意圖
圖16為dsx濾波曲線與真值曲線示意圖
圖17為dsy濾波曲線與真值曲線示意圖
圖18為dsz濾波曲線與真值曲線示意圖
圖19為ka0x濾波曲線與真值曲線示意圖
圖20為ka0y濾波曲線與真值曲線示意圖
圖21為ka0z濾波曲線與真值曲線示意圖
圖22為ka1x濾波曲線與真值曲線示意圖
圖23為ka1y濾波曲線與真值曲線示意圖
圖24為ka1z濾波曲線與真值曲線示意圖
圖25為δxs濾波曲線與真值曲線示意圖
圖26為δxo濾波曲線與真值曲線示意圖
圖27為δys濾波曲線與真值曲線示意圖
圖28為δyo濾波曲線與真值曲線示意圖
圖29為δzs濾波曲線與真值曲線示意圖
圖30為δzo濾波曲線與真值曲線示意圖
圖31為θyo濾波曲線與真值曲線示意圖
圖32為θzp濾波曲線與真值曲線示意圖
圖33為θzo濾波曲線與真值曲線示意圖
圖34為δkgx濾波曲線與真值曲線示意圖
圖35為δkgy濾波曲線與真值曲線示意圖
圖36為δkgz濾波曲線與真值曲線示意圖
圖37為濾波曲線與真值曲線示意圖
圖38為濾波曲線與真值曲線示意圖
圖39為濾波曲線與真值曲線示意圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
仿真中加矩指令生成周期為0.1s,濾波周期為1s,加速度計(jì)測(cè)量噪聲為0.1μg,陀螺儀測(cè)量噪聲為1×10-4°/h,濾波器姿態(tài)角初值為粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)果,初始對(duì)準(zhǔn)偏差為0.02°,其余初值為零,q與r根據(jù)慣性儀表噪聲特性設(shè)置,p矩陣設(shè)置為對(duì)角陣。其中各狀態(tài)量初始方差如下:姿態(tài)角為1×10-7,陀螺儀零偏為1×10-12,陀螺儀一次項(xiàng)為1×10-14,加速度計(jì)零偏為1×10-8,加速度計(jì)刻度因子誤差系數(shù)為1×10-8,陀螺儀安裝誤差為1×10-8,加速度計(jì)安裝誤差為1×10-8,陀螺力矩器誤差系數(shù)為1×10-8,加速度計(jì)零偏不對(duì)稱項(xiàng)為1×10-9,加速度計(jì)刻度因子不對(duì)稱項(xiàng)為1×10-9,系統(tǒng)狀態(tài)量如下表所示:
表1仿真中狀態(tài)量真值
仿真環(huán)境為window7(64位)操作系統(tǒng),計(jì)算軟件采用matlab7.10.0,仿真計(jì)算機(jī)處理器為intel(r)core(tm)i5-3470,主頻為3.20ghz,內(nèi)存為3.39gb。
具體步驟同第一步至第四步。
圖4-圖6描述了平臺(tái)三個(gè)姿態(tài)角的濾波跟蹤誤差曲線,圖7-圖39描述了平臺(tái)各項(xiàng)誤差系數(shù)的濾波曲線示意圖,其中實(shí)線表示真值,虛線表示濾波值。為了方便觀測(cè),對(duì)濾波曲線的坐標(biāo)軸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
從圖4-圖6中可以看出三個(gè)姿態(tài)角均能較好地跟蹤至真實(shí)的姿態(tài)角,意味著濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)的自瞄準(zhǔn)。圖7-圖17描述了陀螺儀零偏和一次項(xiàng)系數(shù)濾波曲線示意圖,從中可知陀螺儀零偏與一次項(xiàng)系數(shù)能夠快速收斂至真值,但陀螺儀本軸一次項(xiàng)誤差系數(shù)大致需要5000s收斂,相對(duì)于其他一次項(xiàng)系數(shù)較慢,這與第三章中陀螺儀本軸一次項(xiàng)可觀測(cè)度較差的理論分析結(jié)果一致。圖19-圖24與圖37-圖39分別為加速度計(jì)零偏、刻度因子誤差和刻度因子不對(duì)稱項(xiàng)濾波曲線,與其他狀態(tài)量相比,加速度計(jì)各項(xiàng)誤差系數(shù)收斂速度較快,這與加速度可觀測(cè)度較高有關(guān)。圖25-圖33為陀螺儀和加速度計(jì)各項(xiàng)安裝誤差角濾波曲線,可以看出加速度計(jì)安裝誤差角收斂速度快于陀螺儀安裝誤差角。圖34-圖36為陀螺力矩器誤差系數(shù)濾波曲線,可知陀螺儀力矩誤差系數(shù)收斂速度與陀螺儀安裝誤差角相似,這與第三章中的結(jié)論一致。
取濾波數(shù)據(jù)最后100個(gè)點(diǎn)的平均值作為濾波結(jié)果,結(jié)果如表2所示:
表2仿真案例1中狀態(tài)量估計(jì)偏差
從表2的仿真結(jié)果中可以看出,平臺(tái)水平姿態(tài)角估計(jì)偏差小于5×10-6°,方位角估計(jì)偏差小于1×10-4°,陀螺儀零偏估計(jì)偏差小于2×10-5°/h,一次項(xiàng)估計(jì)偏差小于5×10-5°/h,加速度計(jì)零偏與刻度因子及其不對(duì)稱項(xiàng)估計(jì)偏差小于0.06μg,慣性儀表安裝誤差角估計(jì)偏差小于0.05",陀螺力矩誤差系數(shù)小于0.1ppm。
上述仿真結(jié)果本發(fā)明所提出的慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾加矩方案和姿態(tài)角rdckf算法的正確性和有效性。
此外,利用matlab對(duì)單次ckf與rdckf濾波所用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下。
表3rdckf與ckf仿真運(yùn)算平均時(shí)間
從表3中可以看出,rdckf單次仿真需要47.5675s左右,而ckf單次仿真運(yùn)算需要95.3227s,相對(duì)ckf算法而言,rdckf濾波能夠減少50%的運(yùn)算時(shí)間。
綜合上述仿真結(jié)果可獲得以下結(jié)論:
(1)本發(fā)明提出的慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)自對(duì)準(zhǔn)算法,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)慣性平臺(tái)自對(duì)準(zhǔn)和平臺(tái)33項(xiàng)誤差系數(shù)的標(biāo)定;
(2)本發(fā)明確定的方法能夠?qū)崿F(xiàn)水平姿態(tài)角小于5×10-6°,方位角小于1×10-4°的初始對(duì)準(zhǔn),以及陀螺儀零偏小于2×10-5°/h,陀螺儀一次項(xiàng)小于5×10-5°/h,加速度計(jì)零偏與刻度因子及其不對(duì)稱項(xiàng)小于0.06μg,慣性儀表安裝誤差角小于0.05",陀螺力矩系數(shù)小于0.1ppm的標(biāo)定精度;
(3)由本發(fā)明確定的方法進(jìn)行慣性平臺(tái)標(biāo)定與對(duì)準(zhǔn),其計(jì)算速度和效率較ckf算法提高了一倍;
本發(fā)明有助于加深對(duì)慣性平臺(tái)標(biāo)定和對(duì)準(zhǔn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和建立補(bǔ)償機(jī)制,具有廣闊的工程應(yīng)用前景。
需要補(bǔ)充說明的是:
(1)本發(fā)明中慣性平臺(tái)不限于框架式慣性平臺(tái),該項(xiàng)技術(shù)也同樣適用于浮球式慣性平臺(tái);
(2)在慣性平臺(tái)施矩方案(即第三步)中,所謂的“東”與“南”主要指水平面內(nèi)兩個(gè)相互垂直的方向(發(fā)明中為了方便描述),對(duì)具體指向不做要求;
(3)值得注意的是,本發(fā)明中的平臺(tái)施矩方案不一定是最優(yōu)的,其他施矩方案或許亦能滿足需求,原則上而言,凡是可觀的施矩方案都是可行的。
同傳統(tǒng)方法相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面:
(1)首次以慣性器件輸入軸為基準(zhǔn)定義了平臺(tái)坐標(biāo)系,建立系統(tǒng)模型。避免了因坐標(biāo)系定義而導(dǎo)致系統(tǒng)不可觀的問題;
(2)將慣性平臺(tái)的標(biāo)定和對(duì)準(zhǔn)視為一個(gè)問題考慮。避免了傳統(tǒng)方法中,慣性平臺(tái)標(biāo)定與對(duì)準(zhǔn)之間強(qiáng)耦合引起的標(biāo)定和對(duì)準(zhǔn)的精度誤差;
(3)以慣性平臺(tái)姿態(tài)角作為出發(fā)點(diǎn),建立系統(tǒng)模型,并在靜基座條件下推導(dǎo)了慣性平臺(tái)連續(xù)翻滾自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)算法,為慣性平臺(tái)自標(biāo)定和自對(duì)準(zhǔn)提供了一種新的思路。姿態(tài)角的使用使得該方法避免了框架角和失準(zhǔn)角模型的不足,有效的提高了算法的精度;
(4)在參數(shù)辨識(shí)中采用了rdckf技術(shù)。同ekf相比,rdckf更適用于系統(tǒng)非線性的特征;同ckf相比,rdckf更適合系統(tǒng)高維的特征。與此同時(shí),降維算法的使用使得系統(tǒng)狀態(tài)量預(yù)測(cè)更新步驟中sigma點(diǎn)采樣點(diǎn)數(shù)由2n減少為6個(gè),極大程度上減少了濾波器的計(jì)算量,縮短了單步濾波運(yùn)行時(shí)間。因此,該項(xiàng)技術(shù)的使用,能在提高系統(tǒng)精度的同時(shí),大幅度的減少了系統(tǒng)計(jì)算量。