一種混合式慣性導航系統(tǒng)及導航方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合式慣性導航系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)是指集平臺式慣導系統(tǒng)結構、捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)算法和旋轉(zhuǎn)式慣導系統(tǒng)誤差抑制技術于一體的慣導系統(tǒng)，它將基于伺服控制的物理穩(wěn)定平臺與基于捷聯(lián)姿態(tài)計算的數(shù)學平臺有機結合，用物理穩(wěn)定平臺一方面隔離載體角運動和跟蹤地理坐標系，減小慣性測量誤差，一方面使慣性器件相對地理坐標系進行旋轉(zhuǎn)，有效抑制慣性器件的常值漂移等；用捷聯(lián)姿態(tài)計算構建數(shù)學平臺，可避免平臺穩(wěn)定控制精度對系統(tǒng)導航定位精度的直接影響。本發(fā)明可滿足在提高導航定位精度以及降低購置/維護成本等方面不斷增長的新需求，為慣性導航技術的發(fā)展開辟了一條新的技術途徑。
【專利說明】
一種混合式慣性導航系統(tǒng)及導航方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種集平臺式、捷聯(lián)式和旋轉(zhuǎn)式慣性導航之大成的慣導系統(tǒng)，屬于慣 性導航領域。
【背景技術】
[0002] 平臺式慣性導航系統(tǒng)一般用四環(huán)平臺隔離載體角運動，使慣性測量始終在當?shù)氐?理坐標系內(nèi)進行，可解決載體角運動耦合造成的測量誤差，同時還可大大降低慣性測量的 角速度范圍，系統(tǒng)精度較高，但存在結構復雜，體積重量偏大，可靠性較差，成本較高等缺 點。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)將慣性器件與機體固連，角速度、加速度經(jīng)姿態(tài)矩陣實時變換到地 理坐標系再進行導航解算，與平臺式慣導相比具有體積重量小、成本低、可靠性高等優(yōu)點， 但是當航向變化時初始對準所建立的慣性器件誤差與數(shù)學平臺偏角間的平衡關系會被破 壞，從而引起明顯導航誤差。旋轉(zhuǎn)式慣性導航系統(tǒng)通過相對殼體的旋轉(zhuǎn)運動來抑制慣性器 件常值漂移，是一種在利用同等精度慣性器件的情況下大幅提高系統(tǒng)導航精度的有效手 段，已在艦船領域得到應用，但旋轉(zhuǎn)式慣導仍有較大提升空間，特別是在應用到航空、航天 等領域時，在技術途徑上還需創(chuàng)新?；旌鲜綉T導系統(tǒng)將隔離載體角運動的"物理平臺"與借 助捷聯(lián)算法構建的"數(shù)學平臺"相結合，還具備通過旋轉(zhuǎn)調(diào)制抑制慣性器件誤差的功能，為 慣性導航技術的發(fā)展開辟一條新的技術途徑。由"平臺"到"捷聯(lián)"，再由"捷聯(lián)"到"平臺"，這 是事物"否定之否定"螺旋式上升規(guī)律的體現(xiàn)。除了需求牽引外，技術進步也成為這項轉(zhuǎn)變 的推手，此處的平臺已大大不同于傳統(tǒng)的平臺，其體積、重量和可靠性方面的指標已有重大 提升。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明解決的技術問題是：最大限度地發(fā)揮平臺式、捷聯(lián)式和旋轉(zhuǎn)式慣導的各自 優(yōu)點，避免各自的不足，從系統(tǒng)層面發(fā)揮好慣性器件的性能，為研制高性能慣導系統(tǒng)提供一 種新的解決方案。
[0004] 本發(fā)明的技術解決方案是:一種混合式慣性導航系統(tǒng)，其特點在于:系統(tǒng)既有基于 伺服控制的物理穩(wěn)定平臺又有基于捷聯(lián)算法的數(shù)學平臺，還有基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差抑制方 法;所述的物理平臺包括框架平臺和慣性測量單元等，框架平臺為慣性測量單元隔離載體 的角運動，并使慣性測量單元做周期性的旋轉(zhuǎn)運動;所述的數(shù)學平臺包括捷聯(lián)姿態(tài)計算和 導航計算等，用捷聯(lián)姿態(tài)陣修正慣性測量單元提供的速度增量和角度增量，然后進行導航 計算。
[0005] 本發(fā)明的原理是:混合式慣導系統(tǒng)的物理穩(wěn)定平臺具有旋轉(zhuǎn)軸，可以隔離載體角 運動，使初始對準過程中所建立的水平平臺偏角與加速度計零偏的平衡、羅經(jīng)效應項與等 效東向陀螺漂移的平衡在整個導航過程中基本能得到保持，并降低陀螺比例系數(shù)誤差和安 裝誤差角對系統(tǒng)精度的影響。用捷聯(lián)算法構建的數(shù)學平臺可以計算出物理穩(wěn)定平臺的控制 誤差，并用其在導航解算時進行補償修正，從而降低平臺控制誤差對導航精度的影響。陀螺 漂移和加速度計零偏是影響慣導精度的兩個主要因素，當慣性測量單元做周期性的旋轉(zhuǎn) 時，陀螺漂移和加速度計零偏可被調(diào)制為零均值的形式，從而大大降低對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn) 高精度導航。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0007] (1)本發(fā)明用物理穩(wěn)定平臺降低載體角運動對導航精度的影響，使旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術 不僅可用于低動態(tài)的艦船領域，還可以擴展到高動態(tài)的航空、航天領域;若慣性器件的性能 一樣，則本系統(tǒng)導航定位精度可得到成倍提高;若要實現(xiàn)同樣的系統(tǒng)導航定位精度，則本發(fā) 明可降低對慣性器件精度的要求，從而降低系統(tǒng)成本。
[0008] (2)本發(fā)明在有物理穩(wěn)定平臺的情況下還用數(shù)學方法計算捷聯(lián)姿態(tài)陣，相比傳統(tǒng) 平臺式慣導，能降低物理穩(wěn)定平臺的控制精度對系統(tǒng)導航定位精度的影響。
[0009] (3)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)調(diào)制是在隔離了載體角運動的情況下執(zhí)行，所以旋轉(zhuǎn)是相對于 地理坐標系進行，這比相對于殼體旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)能獲得更好的誤差抑制效果。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明混合式慣性導航系統(tǒng)原理框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明實施例中系統(tǒng)整體結構示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明實施例中物理穩(wěn)定平臺結構示意圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明實施例中慣性測量單元整體結構示意圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明實施例中慣性測量單元內(nèi)部結構示意圖；
[0015] 圖6為本發(fā)明實施例中系統(tǒng)車載導航實驗的位置誤差曲線；
[0016] 圖7為本發(fā)明實施例中系統(tǒng)按傳統(tǒng)方案導航的位置誤差曲線。
【具體實施方式】
[0017] 混合式慣性導航系統(tǒng)可以用多種慣性器件來實現(xiàn)，并且根據(jù)應用場合的不同，物 理平臺在結構上也可以有三軸、雙軸、單軸等多種實現(xiàn)形式，下面以基于光纖陀螺的三軸混 合式機載慣性導航系統(tǒng)為例來闡述本發(fā)明的具體實施過程。
[0018] 本發(fā)明的所述系統(tǒng)是指集平臺式慣導系統(tǒng)結構、捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)算法和旋轉(zhuǎn)式慣 導系統(tǒng)誤差抑制技術于一體的慣導系統(tǒng)，它將基于伺服控制的物理穩(wěn)定平臺與基于捷聯(lián)姿 態(tài)計算的數(shù)學平臺有機結合，用物理穩(wěn)定平臺一方面隔離載體角運動和跟蹤地理坐標系， 減小慣性測量誤差，一方面使慣性器件相對地理坐標系進行旋轉(zhuǎn)，有效抑制慣性器件的常 值漂移等；用捷聯(lián)姿態(tài)計算構建數(shù)學平臺，可避免平臺穩(wěn)定控制精度對系統(tǒng)導航定位精度 的直接影響。本發(fā)明可滿足在提高導航定位精度以及降低購置/維護成本等方面不斷增長 的新需求，為慣性導航技術的發(fā)展開辟了一條新的技術途徑。
[0019] 如圖1所示，該系統(tǒng)包括物理平臺和數(shù)學平臺兩部分，物理平臺既是數(shù)學平臺進行 計算的數(shù)據(jù)來源，又是數(shù)學平臺計算結果的執(zhí)行機構。首先物理平臺將隔離了載體角運動 后的慣性測量單元數(shù)據(jù)和框架平臺的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)學平臺，然后數(shù)學平臺進行相應計算， 計算結束后，一方面對外輸出導航結果，一方面產(chǎn)生控制信號去控制物理平臺的電機。具體 來說，當載體有角速度H時，它與平臺的角速度<一起通過摩擦產(chǎn)生力矩Mt，該力矩與擾動 力矩Md、電機控制力矩M C共同作用于框架平臺，使安裝于框架平臺上的慣性測量單元勻速轉(zhuǎn) 動。上述運動被慣性測量單元和框架平臺敏感到，慣性測量單元輸出角增量4<和速度增 量框架平臺輸出三個框架的轉(zhuǎn)角0P(中框）、yP(外框)和％(內(nèi)框）。數(shù)學平臺首先根據(jù) A%計算捷聯(lián)姿態(tài)陣A C，具體方法與捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)一樣，然后結合0P、yP和％按式（1)和 式(2)計算載體的俯仰角01、橫滾角y I和航向角ih。接下來是導航計算，得到載體的速度G 和位置許對外輸出，其計算方法與捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)一樣;穩(wěn)定指令角速度％的計算，以 及跟蹤計算得到跟蹤指令角速度吟，其方法與平臺式慣導系統(tǒng)一樣，這些都不做贅述。
[0022] 其中，C為載體的姿態(tài)矩陣，C11~c33為該矩陣的各個元素，其余符號如前文所述。
[0023] 最后按式(3)計算綜合控制指令角速度終，控制器再像平臺式慣導那樣根據(jù)控制 指令去控制電機的運動。
[0024] (〇( = 〇)s + (〇, + (3)
[0025] 其中，A是旋轉(zhuǎn)指令角速度。這里的旋轉(zhuǎn)指令角速度是混合式慣導系統(tǒng)引入旋轉(zhuǎn) 調(diào)制的具體體現(xiàn)，該角速度與旋轉(zhuǎn)式慣導系統(tǒng)一樣，可由用戶根據(jù)使用需求進行配置。
[0026] 如圖2所示，系統(tǒng)機箱由平臺艙1和電子艙2兩個主要的部分構成。電子艙2包括導 航/控制計算機板201和電機功放板202兩塊電路板。導航/控制計算機板201完成導航計算， 并產(chǎn)生控制電機所需的脈寬調(diào)制信號，混合式慣導系統(tǒng)的數(shù)學平臺即建立在該電路板的導 航計算機內(nèi)；電機功放板202對導航/控制計算機板輸出的脈寬調(diào)制PWM信號進行功率放大， 然后去驅(qū)動電機做旋轉(zhuǎn)運動。平臺艙1里安裝該系統(tǒng)的物理平臺，包括框架平臺3和慣性測 量單元4,慣性測量單元4與框架平臺3的內(nèi)框連接，框架平臺3的外框通過減震器5安裝到機 箱上。
[0027] 如圖3所示，框架平臺3的三個旋轉(zhuǎn)軸由內(nèi)向外分別是Z軸、X軸和Y軸，依次沿載體 的方位、俯仰和橫滾方向。初始零位狀態(tài)下，三個旋轉(zhuǎn)軸相互正交。內(nèi)框碼盤301和內(nèi)框電機 302,中框碼盤303和中框電機304,外框碼盤305和外框電機306分別安裝于各自旋轉(zhuǎn)軸的兩 端，方位軸再安裝導電滑環(huán)307。當載體不存在連續(xù)翻滾運動時，框架平臺的俯仰軸和橫滾 軸可不安裝導電滑環(huán)，而是采用軟導線連接。另外，當系統(tǒng)檢測到載體出現(xiàn)了非正常翻滾運 動，混合式慣導系統(tǒng)可隨即將俯仰、橫滾兩個軸進行電鎖定，通過捷聯(lián)計算來進行數(shù)學隔 離，也能使系統(tǒng)正常工作。
[0028]如圖4和圖5所示，慣性測量單元4由三個光纖陀螺、三個石英撓性加速度計和電路 板等組成。X陀螺501、Y陀螺502、X加速度計601、Y加速度計602安裝于水平方向，Z陀螺503和 Z加速度計603安裝于鉛垂方向。電路板包括I/F轉(zhuǎn)換電路板401和數(shù)據(jù)采集電路板402，它們 均通過四個角的螺孔安裝于慣性測量單元4。數(shù)據(jù)采集電路板402在完成對陀螺角度增量和 加速度計速度增量的采樣之后，將采樣結果存入數(shù)據(jù)采集計算機的數(shù)組，然后數(shù)據(jù)采集計 算機再通過RS-422總線將數(shù)組中的數(shù)據(jù)依次傳送至導航/控制計算機板201進行后續(xù)計算。
[0029] 在每個導航和控制計算周期里，首先獲取當前時刻的陀螺角增量、加速度計速度 增量和光電碼盤轉(zhuǎn)角值。這里直接得到的物理量均為這些器件敏感軸方向的測量值，由于 系統(tǒng)機械結構加工和裝配時存在誤差，所以上述物理量首先補償安裝偏角，得到相互正交 的速度和角度增量，然后進行捷聯(lián)計算。該系統(tǒng)的導航計算采用捷聯(lián)算法，不僅能降低對物 理平臺穩(wěn)定控制性能的要求，降低控制誤差對導航精度的影響，同時還能在平臺控制出現(xiàn) 故障的情況下做回中處理，讓本系統(tǒng)工作在傳統(tǒng)的捷聯(lián)狀態(tài)，不影響本系統(tǒng)繼續(xù)導航定位。 具體的捷聯(lián)計算與現(xiàn)有的慣導系統(tǒng)類似，這里不作贅述。捷聯(lián)計算過程中可以獲得穩(wěn)定角 速度和跟蹤角速度，疊加旋轉(zhuǎn)角速度后作為框架平臺上電機的控制指令角速度。
[0030] 最后說明基于上述實施方案的混合式慣導系統(tǒng)所實現(xiàn)的高精度導航性能。圖6是 一次12h車載導航實驗的位置誤差曲線，系統(tǒng)所用陀螺的精度約0.01°/h。當以CEP做衡量指 標時，混合式慣導方案的定位精度約0.09n mile/h。圖7是使用同一系統(tǒng)采用傳統(tǒng)慣導系統(tǒng) 方案時的位置誤差曲線，定位精度約〇.89n mile/h。可見，混合式慣性導航系統(tǒng)的定位精度 較傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)提高了約十倍。
[0031]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
[0032]最后所應說明的是：以上實施實例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，所有 的不脫離本發(fā)明的精神和范圍的修改或局部替換，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當 中。
【主權項】
1. 一種混合式慣性導航系統(tǒng)，其特征在于:包括物理平臺（1)和數(shù)學平臺（2);所述物理 平臺（1)包括框架平臺和慣性測量單元，框架平臺具有多個旋轉(zhuǎn)軸，為慣性測量單元隔離載 體的角運動和跟蹤地理坐標系，減小慣性測量誤差，并對慣性測量單元旋轉(zhuǎn)調(diào)制，即使慣性 測量單元相對地理坐標系做周期性的旋轉(zhuǎn)運動，有效抑制慣性器件的常值漂移;所述數(shù)學 平臺（2)包括捷聯(lián)姿態(tài)計算模塊和導航計算模塊，捷聯(lián)姿態(tài)計算模塊根據(jù)慣性測量單元提 供的角度增量計算捷聯(lián)姿態(tài)陣，導航計算模塊利用該捷聯(lián)姿態(tài)陣對慣性測量單元提供的速 度增量進行轉(zhuǎn)換，補償框架平臺的控制誤差，以降低框架平臺控制誤差對導航計算精度的 影響。2. 根據(jù)權利要求1所述的混合式慣性導航系統(tǒng)，其特征在于:所述對慣性測量單元旋轉(zhuǎn) 調(diào)制不是相對于系統(tǒng)機箱殼體，而是先隔離載體角運動再進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)調(diào)制角速度相對 于殼體不一定是恒定值，而在地理系下為恒定值，調(diào)制效果更好。3. 根據(jù)權利要求1所述的混合式慣性導航系統(tǒng)，其特征在于：所述物理平臺是幾軸形 式，取決于該混合式慣導系統(tǒng)的具體應用場合。4. 一種混合式慣性導航方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 物理平臺隔離載體的角運動； (2) 物理平臺在隔離載體角運動的基礎上再使慣性測量單元周期性地旋轉(zhuǎn)； (3) 數(shù)學平臺用陀螺的數(shù)據(jù)計算捷聯(lián)姿態(tài)陣； (4) 數(shù)學平臺用加速度計的數(shù)據(jù)和捷聯(lián)姿態(tài)陣作導航計算。
【文檔編號】G01C21/16GK106052682SQ201610318479
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】馮培德, 王蕾, 王瑋, 李魁
【申請人】北京航空航天大學