一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法技术

本发明专利技术公开一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法，包括单轴旋转SINS阻尼网络的设计和轴向陀螺漂移精确标校两部分。建立了经纬度误差与轴向陀螺漂移、初始航向角误差之间的数学模型，采用最小二乘法对轴向陀螺漂移进行精确标校。本发明专利技术可以有效地解决周期性转动单轴旋转SINS的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)无法消除轴向陀螺漂移对惯导系统定位精度影响问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于捷联惯导陀螺漂移系统级标校领域，具体涉及一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法。
技术介绍
捷联惯导系统(StrapdownInertialNavigationSystem，SINS)中惯性测量单元的漂移会引起惯导系统随时间积累的定位误差，是影响导航系统性能的主要因素之一。采用旋转调制技术能够自动补偿IMU常值漂移对系统定位精度的影响，提高系统长时间导航能力。根据系统所采用的转位机构功能可以分为单轴旋转SINS、双轴旋转SINS以及三轴旋转SINS，由于单轴旋转SINS具有结构简单、成本较低、可靠性高等优点，目前已经在工程中得到广泛应用。周期性转动单轴旋转SINS的IMU无法消除轴向陀螺漂移对系统定位精度影响，最终影响系统导航性能。单轴旋转SINS一般应用于舰船等需要长时间工作场合，陀螺漂移尤其是轴向陀螺漂移对系统定位精度影响较大，如轴向陀螺常值漂移为0.01(°)/h，地理纬度为45°时，导航24h将产生大约10nmile的位置误差。为提高单轴旋转SINS长时间导航精度，需要对轴向陀螺漂移进行精确标校。在单轴旋转SINS中，周期性转动转位机构提高了水平方向惯性量的可观测度，但是轴向陀螺漂移依然无法通过Kalman滤波算法进行估计。建立经纬度误差与轴向陀螺漂移之间的数学模型并利用最小二乘法拟合轴向陀螺漂移是常用的一种误差辨识方法。如果进一步对单轴旋转SINS的系统误差方程进行分析可知，单轴旋转SINS是一个临界稳定系统，在常值误差源的激励下惯导系统将产生周期性振荡误差，该项误差具有84.4min的振荡周期，会影响陀螺漂移辨识精度。在捷联惯导系统中加入阻尼网络能够改变系统的特征根，从而使得惯导系统变成渐进稳定系统，得到较为精确的经纬度。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种能够提高轴向陀螺漂移的辨识精度，能够在线计算最优阻尼网络，精度更高的基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法。技术方案：本专利技术的基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法，包括以下步骤：步骤1：单轴旋转SINS通电完成自检后首先进行“惯性系抗晃动基座粗对准”，得到初始姿态和航向角；步骤2：启动转位机构进行多位置精对准，具体内容为：利用Kalman滤波算法估计水平方向惯性器件漂移以及姿态和航向角误差，并进行误差补偿；步骤3：单轴旋转SINS进行长时间导航工作状态，在导航解算过程中加入阻尼网络，利用经纬度误差精确辨识轴向陀螺漂移，具体辨识过程为：根据下式，利用自导航初始时刻起的t1和t2两个时刻处的位置误差对轴向陀螺常值漂移进行标校，辨识得到轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU：式中：δλ、δL分别为经度、纬度误差，L为地理纬度，ωie为地球自转角速度，εU为轴向陀螺漂移，φU为方位失准角，t为变量，表示惯导系统导航时间，t1为选取的第一个位置误差时间点，t2为选取的第二个位置误差时间点；利用最小二乘法对轴向陀螺漂移εU和方位失准角φU进行辨识，得到最优估计值为：其中M为上述轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU表达式中的系数矩阵分别在t1和t2两个时间点构成的系数矩阵，MT表示矩阵M的转置，Y为经纬度误差构成的误差阵，为辨识得到的轴向陀螺漂移最优估计值，为辨识得到的方位失准角最优估计值；步骤4：按照所述步骤2的方式再次进行多位置转停精对准，以补偿步骤3中产生的姿态和航向角误差；步骤5：将步骤2中估计得到的水平方向惯性量漂移和步骤3中辨识得到的轴向陀螺漂移补偿到单轴旋转SINS中，惯导系统在此基础上转入到纯惯性导航工作模式。进一步的，本专利技术方法中，步骤3中在导航解算过程中加入的阻尼网络根据以下方法动态获取：①根据惯导系统实际的动态特性确定网络的阻尼比ξ，由阻尼比与二阶系统谐振峰值关系计算系统的谐振峰值Mr：②根据惯导系统的动态性能确定调节时间ts，由所述调节时间ts和谐振峰值Mr，进一步根据下式计算系统期望的截止频率ωc：式中：K＝2+1.5(Mr-1)+2.5(Mr-1)2，为截止频率ωc计算系数；③由惯导系统期望的相角裕度γ计算校正网络带宽：式中：H为校正网络带宽，γ表示惯导系统的相角裕度；④根据下式计算得到校正网络的各转折频率：式中：ω2为中频段转折频率，ω3为第二转折频率，ω4为高频段转折频率；⑤根据下式计算得到满足惯导系统阻尼特性的校正网络传递函数：式中：G(s)表示校正网络传递函数，s＝jω为拉普拉斯算子，其中ω是输入信号频率。进一步的，本专利技术方法中，步骤3中，t1取值为第6h，t2取值为第12h。进一步的，本专利技术方法中，相角裕度γ取值为60°。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)给出了一种基于对数幅频特性曲线的阻尼网络设计方法，利用本专利技术中给出的具体实施步骤能够动态获取最优阻尼网络系数。目前现有关于阻尼网络系数获取是根据工程经验得到，其网络系数较为单一，无法满足实际导航系统的需求，本专利技术在频域内对阻尼网络系数进行设计，根据系统期望的阻尼比、调节时间等指标在线计算最优阻尼网络。(2)利用经纬度误差辨识轴向陀螺漂移时，舒拉振荡误差会影响辨识精度。与传统的方法相比，本专利技术在单轴旋转SINS中加入了阻尼网络以抑制舒拉振荡误差。目前阻尼网络已经在捷联惯导系统中得以应用，阻尼网络在频域可以看作是一个带通滤波器，能够抑制高频和低频信号，因此在长航时惯性导航系统领域广泛应用。本专利技术在研制单轴旋转SINS基础上，将阻尼网络引入到系统中，能够对惯性器件、初始误差等引起的舒拉振荡误差进行抑制，从而能够提高轴向陀螺漂移的辨识精度。(3)单轴旋转SINS的初始姿态和航向角误差、水平方向上的惯性量漂移都会影响轴向陀螺漂移标校精度。与目前现有的陀螺漂移标校技术相比，本专利技术在分析误差影响基础之上提出了一种精度更高、更具有工程参考价值的标定方法。首先建立了单轴旋转SINS的误差状态方程和量测方程，然后利用Kalman滤波器对其中的状态向量进行在线估计。附图说明图1为具有阻尼网络的单轴旋转SINS算法原理图；图2为有无阻尼条件下导航误差对比曲线，其中图2(a)为东向速度误差曲线，图2(b)为东向速度误差均方根值，图2(c)为经度误差曲线；图3为轴向陀螺漂移标校流程图；图4为仿真环境下水平惯性器件误差估计曲线，其中图4(a)为加速度计偏置估计曲线，图4(b)为水平陀螺零偏估计曲线；图5为实际惯导系统标定补偿后定位误差对比曲线。具体实施方式下面将结合实施例和说明书附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供了一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法，图1为加入水平阻尼网络后的单轴旋转SINS算法原理图，下面对其进行分析和说明。常用坐标系定义：地心惯性坐标系(i系)、地心地球坐标系(e系)、地理坐标系(g系)、导航坐标系(n系)、载体坐标系(b系)和旋转坐标系(s系)地心惯性坐标系(i系)，原点在地球中心，oxi、oyi轴在赤道平面内指向某二恒星，ozi轴沿地球自转轴方向，oxi、oyi、ozi轴构成右手坐标系，且指向惯性空间固定不动。地心地球坐标系(e系)，原点在地球中心，oxe轴在赤道平面内指向格林威治子午线，oye轴在赤道平面内，oze轴与地球自转轴重合，oxe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：单轴旋转SINS通电完成自检后首先进行“惯性系抗晃动基座粗对准”，得到初始姿态和航向角；步骤2：启动转位机构进行多位置精对准，具体内容为：利用Kalman滤波算法估计水平方向惯性器件漂移以及姿态和航向角误差，并进行误差补偿；步骤3：单轴旋转SINS进行长时间导航工作状态，在导航解算过程中加入阻尼网络，利用经纬度误差精确辨识轴向陀螺漂移，具体辨识过程为：根据下式，利用自导航初始时刻起的t1和t2两个时刻处的位置误差对轴向陀螺常值漂移进行标校，辨识得到轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU：ϵUφU=sinL·t-sinL·sin(ωiet)ωie[cos(ωiet)-1]sin·L]cosLωie-cos(ωiet)cosLωie-sin(ωiet)·cosL]-1×;δλδL]]>式中：δλ、δL分别为经度误差、纬度误差，L为地理纬度，ωie为地球自转角速度，εU为轴向陀螺漂移，φU为方位失准角，t为变量，表示惯导系统导航时间，t1为选取的第一个位置误差时间点，t2为选取的第二个位置误差时间点；利用最小二乘法对轴向陀螺漂移εU和方位失准角φU进行辨识，得到最优估计值为：ϵ~Uφ~U=(MTM)-1MTY]]>其中M为上述轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU表达式中的系数矩阵分别在t1和t2两个时间点构成的系数矩阵，MT表示矩阵M的转置，Y为经纬度误差构成的误差阵，为辨识得到的轴向陀螺漂移最优估计值，为辨识得到的方位失准角最优估计值；步骤4：按照所述步骤2的方式再次进行多位置转停精对准，以补偿步骤3中产生的姿态和航向角误差；步骤5：将所述步骤2中估计得到的水平方向惯性器件漂移和步骤3中辨识得到的轴向陀螺漂移补偿到单轴旋转SINS中，惯导系统在此基础上转入到纯惯性导航工作模式。...

【技术特征摘要】
1.一种基于阻尼网络的单轴旋转SINS轴向陀螺漂移校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：单轴旋转SINS通电完成自检后首先进行“惯性系抗晃动基座粗对准”，得到初始姿态和航向角；步骤2：启动转位机构进行多位置精对准，具体内容为：利用Kalman滤波算法估计水平方向惯性器件漂移以及姿态和航向角误差，并进行误差补偿；步骤3：单轴旋转SINS进行长时间导航工作状态，在导航解算过程中加入阻尼网络，利用经纬度误差精确辨识轴向陀螺漂移，具体辨识过程为：根据下式，利用自导航初始时刻起的t1和t2两个时刻处的位置误差对轴向陀螺常值漂移进行标校，辨识得到轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU：ϵUφU=sinL·t-sinL·sin(ωiet)ωie[cos(ωiet)-1]sin·L]cosLωie-cos(ωiet)cosLωie-sin(ωiet)·cosL]-1×δλδL]]>式中：δλ、δL分别为经度误差、纬度误差，L为地理纬度，ωie为地球自转角速度，εU为轴向陀螺漂移，φU为方位失准角，t为变量，表示惯导系统导航时间，t1为选取的第一个位置误差时间点，t2为选取的第二个位置误差时间点；利用最小二乘法对轴向陀螺漂移εU和方位失准角φU进行辨识，得到最优估计值为：ϵ~Uφ~U=(MTM)-1MTY]]>其中M为上述轴向陀螺漂移εU以及方位失准角φU表达式中的系数矩阵分别在t1和t2两个时间点构成的系数矩阵，MT表示矩阵M的转置，Y为经纬度误差构成的误差阵，为辨识得到的轴向陀螺漂移最优估计值，为辨识得到的方位失准角最优估计值；步骤4...

【专利技术属性】
技术研发人员：程向红，胡杰，刘全，朱倚娴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32