一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法技术方案

本发明专利技术属于惯性导航领域，针对正反转速率偏频方式激光陀螺惯导系统要求偏频机构瞬间反转、实现难度大，以及恒速偏频方式激光陀螺惯导系统无法克服与偏频旋转轴方向陀螺标度因数误差相关的等效漂移误差、纯惯性导航误差大的问题，公开了一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法。本发明专利技术通过机械抖动偏频激光陀螺安装、坐标系及安装关系定义、偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算、精确标校安装关系矩阵、精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量、初始对准卡尔曼滤波器设计、纯惯导误差修正补偿的步骤，实现了快速高精度初始对准，减小了纯惯导的北向和东向位置误差，提高了导航精度。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及惯性导航系统领域，特别是一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法。
技术介绍
：单轴旋转调制技术可以平均调制与旋转轴垂直的惯性器件误差，对于旋转轴轴向的器件误差，有学者采用在线标定与补偿的方法，但标定时间普遍较长，无法满足快速性要求。速率偏频激光陀螺惯导系统方案不仅可以克服机械抖动偏频激光陀螺过锁区随机游走误差影响，而且正反转的方式还能抵消与偏频旋转轴方向陀螺标度因数误差相关的等效漂移误差，提高惯导系统精度，但正反转交替旋转的偏频方式要求偏频机构瞬间反转，实现难度大。恒速偏频方式可实现高精度的寻北，但由于偏频机构以恒定角速率旋转，造成与偏频旋转轴方向陀螺标度因数误差相关的等效漂移误差，纯惯性导航误差大。因此，寻找一种单轴恒速偏频旋转且能抑制偏频旋转轴方向陀螺标度因素误差的惯导系统方案具有重要意义。
技术实现思路
：本专利技术针对现有的单轴恒速偏频激光陀螺导航系统不能解决偏频旋转轴方向陀螺标度因素误差的问题，提出了一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法。该方案在三个陀螺、三个加速度计构成的高精度激光陀螺恒速偏频寻北系统的基础上，增加一个不随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光陀螺，用于敏感偏频旋转轴方向的载体角运动，避免了沿恒速偏频旋转轴方向的陀螺标度因数误差造成的姿态误差积累。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其步骤为：步骤一：机械抖动偏频激光陀螺安装：在三个陀螺(gx、gy、gz)、三个石英挠性加速度计(ax、ay、az)构成的高精度激光陀螺恒速偏频寻北系统的基础上，安装一个不随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光陀螺gdz，其敏感轴与旋转轴一致，提供偏频旋转轴方向的载体角运动信息；步骤二：坐标系及安装关系定义：定义n系为当地水平地理坐标系，N-E-D(北-东-地)方向；bg系为斜装的恒速偏频IMU(惯性测量单元)坐标系，其轴与gx陀螺敏感轴重合，轴在gx陀螺与gy陀螺敏感轴所确定的平面内且gy陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏差角，轴方向符合右手规则且gz陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏差角；b系为变换后的IMU坐标系，采用前-右-下方向，zb轴与恒速偏频旋转轴重合，xb轴、yb轴与偏频旋转轴正交，xb轴与轴及zb轴在同一平面内，与n系间的方向余弦矩阵为bg系、b系固联于旋转台面中并随转台连续转动，转速Ω(转台旋转轴指向下方，顺时针方向为正)，周期T，t时刻与转台零位夹角α(t)；bp系为转台台体坐标系，与b系在t＝0时刻重合，与n系间的方向余弦矩阵为为b系与bp系之间的转换矩阵，可由α(t)表示为：Cbbp=cosα(t)-sinα(t)0sinα(t)cosα(t)0001---(1)]]>步骤三：偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算：b系下偏频旋转轴方向敏感角速率可表示为，ωibzb=ωdzkdz+Ω-[kdxcosα(t)+kdysinα(t)]ωibxbkdz-[-kdxsinα(t)+kdycosα(t)]ωibybkdz---(2)]]>式中，是b系下载体角速度，bp系中机械抖动激光陀螺敏感轴单位矢量为[kdxkdykdz]T，其敏感角速率理论值为ωdz，上标T表示向量或矩阵的转置，Δt是采样时间间隔；由式(2)积分可得相应的陀螺角增量采样值，根据b系中恒速偏频激光陀螺IMU提供的垂直于旋转轴的角增量固联于bp系中的机抖陀螺的角增量偏频旋转机构的角位置α(t)和角增量Δα(t)，可计算出b系沿偏频旋转轴方向的角增量步骤四：精确标校bg系与b系之间的安装关系矩阵设置bg系三个恒速偏频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，利用水平姿态角γ(滚动角)和θ(俯仰角)的计算结果对进行精确标校；步骤五：精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量[kdxkdykdz]：设置三个恒速偏频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，保持不变时有：ωdz=kdxkdyddzωibpbp=kdxkdykdzCbbpωibb---(3)]]>式中，表示bp系的旋转角速率；整个惯导系统按照不同的倾斜方式置于单轴转台上，单轴转台正反方向旋转，消除地球自转角速度及陀螺常值漂移误差影响，根据即可估计出参数[kdxkdykdz]；步骤六：初始对准卡尔曼滤波器设计：选取三个姿态误差(φN、φE、φD)和三个速度误差(δVN、δVE、δVD)作为误差状态，器件误差中，选取三个加速度计零偏作为误差状态，选取偏频旋转轴方向等效陀螺采样值常值零偏偏差耦合造成的北向等效陀螺漂移εN作为误差状态，即x=φNφEφDδVNδVEδVDδfxbδfybδfzbδωibzbϵNT---(4)]]>构建系统状态方程如下：x·=Fx+Gw---(5)]]>式中，x表示系统误差状态，表示系统误差状态微分，F表示系统误差矩阵，G表示系统噪声输入矩阵，w表示系统噪声：w＝[wgxwgywgzwaxwaywaz]T(6)式中，wgx、wgy和wgz为陀螺测量噪声，wax、way、waz为加速度计测量噪声；选取n系下速度误差δVN、δVE和δVD作为观测量，构建观测方程如下：z＝Hx+υ(7)式中，z为观测量，H为测量矩阵，υ为测量噪声；步骤七：纯惯导误差修正补偿：利用初始对准卡尔曼滤波对和εN的估计值，在纯惯导过程中进行修正补偿，完成导航解算，修正补偿方法如下：f^b=f~b-δf^b---(8)]]>ω^ibzb=ω~ibzb-δω^ibzb---(9)]]>ω^in,Nn=ω~in,Nn-ϵ^N.---(10)]]>步骤三中偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算中求解方法为：机抖陀螺敏感角速率理论值可表示为：ωdz=kdxωibpxbp+kdyωibpybp+kdzωibpzbp---(11)]]>又ωibpbp=Cbbpωibb-ωbpbbp,]]>式中，ωbpbbp=00&Omeg本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：机械抖动偏频激光陀螺安装：在三个陀螺(gx、gy、gz)、三个石英挠性加速度计(ax、ay、az)构成的高精度激光陀螺恒速偏频寻北系统的基础上，安装一个不随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光陀螺gdz，其敏感轴与旋转轴一致，提供偏频旋转轴方向的载体角运动信息；步骤二：坐标系及安装关系定义：定义n系为当地水平地理坐标系，N‑E‑D(北‑东‑地)方向；bg系为斜装的恒速偏频IMU(惯性测量单元)坐标系，其轴与gx陀螺敏感轴重合，轴在gx陀螺与gy陀螺敏感轴所确定的平面内且gy陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏差角，轴方向符合右手规则且gz陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏差角；b系为变换后的IMU坐标系，采用前‑右‑下方向，zb轴与恒速偏频旋转轴重合，xb轴、yb轴与偏频旋转轴正交，xb轴与轴及zb轴在同一平面内，与n系间的方向余弦矩阵为bg系、b系固联于旋转台面中并随转台连续转动，转速Ω(转台旋转轴指向下方，顺时针方向为正)，周期T，t时刻与转台零位夹角α(t)；bp系为转台台体坐标系，与b系在t＝0时刻重合，与n系间的方向余弦矩阵为为b系与bp系之间的转换矩阵，可由α(t)表示为：Cbbp=cosα(t)-sinα(t)0sinα(t)cosα(t)0001---(1)]]>步骤三：偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算：b系下偏频旋转轴方向敏感角速率可表示为，ωibzb=ωdzkdz+Ω-[kdxcosα(t)+kdysinα(t)]ωibxbkdz--[kdxsinα(t)+kdycosα(t)]ωibybkdz---(2)]]>式中，是b系下载体角速度，bp系中机械抖动激光陀螺敏感轴单位矢量为[kdx kdy kdz]T，其敏感角速率理论值为ωdz，上标T表示向量或矩阵的转置，Δt是采样时间间隔；由式(2)积分可得相应的陀螺角增量采样值，根据b系中恒速偏频激光陀螺IMU提供的垂直于旋转轴的角增量固联于bp系中的机抖陀螺的角增量偏频旋转机构的角位置α(t)和角增量Δα(t)，可计算出b系沿偏频旋转轴方向的角增量步骤四：精确标校bg系与b系之间的安装关系矩阵设置bg系三个恒速偏频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，利用水平姿态角γ(滚动角)和θ(俯仰角)的计算结果对进行精确标校；步骤五：精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量[kdx kdy kdz]：设置三个恒速偏频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，保持不变时有：ωdz=kdxkdykdzωibpbp=kdxkdykdzCbbpωibb---(3)]]>式中，表示bp系的旋转角速率；整个惯导系统按照不同的倾斜方式置于单轴转台上，单轴转台正反方向旋转，消除地球自转角速度及陀螺常值漂移误差影响，根据即可估计出参数[kdx kdy kdz]；步骤六：初始对准卡尔曼滤波器设计：选取三个姿态误差(φN、φE、φD)和三个速度误差(δVN、δVE、δVD)作为误差状态，器件误差中，选取三个加速度计零偏作为误差状态，选取偏频旋转轴方向等效陀螺采样值常值零偏偏差耦合造成的北向等效陀螺漂移εN作为误差状态，即x=φNφEφDδVNδVEδVDδfxbδfybδfzbδωibzbϵNT---(4)]]>构建系统状态方程如下：x·=Fx+Gw---(5)]]>式中，x表示系统误差状态，表示系统误差状态微分，F表示系统误差矩阵，G表示系统噪声输入矩阵，w表示系统噪声：w＝[wgx wgy wgz wax way waz]T   (6)式中，wgx、wgy和wgz为陀螺测量噪声，wax、way、waz为加速度计测量噪声；选取n系下速度误差δVN、δVE和δVD作为观测量，构建观测方程如下：z＝Hx+υ   (7)式中，z为观测量，H为测量矩阵，υ为测量噪声；步骤七：纯惯导误差修正补偿：利用初始对准卡尔曼滤波对和ζN的估计值，在纯惯导过程中进行修正补偿，完成导航解算，修正补偿方法如下：f^b=f~b-δf^b---(8)]]>ω^ibzb=ω~ibzb-δω^ibzb---(9)]]>ω^in,Nn=ω~in,Nn-ϵ^N.---(10)]]>...

【技术特征摘要】
1.一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统导航方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：机械抖动偏频激光陀螺安装：在三个陀螺(gx、gy、gz)、三个石英挠性加速度计
(ax、ay、az)构成的高精度激光陀螺恒速偏频寻北系统的基础上，安装一个不随偏频机构旋
转的固定在基座上的机械抖动偏频激光陀螺gdz，其敏感轴与旋转轴一致，提供偏频旋转轴
方向的载体角运动信息；
步骤二：坐标系及安装关系定义：
定义n系为当地水平地理坐标系，N-E-D(北-东-地)方向；
bg系为斜装的恒速偏频IMU(惯性测量单元)坐标系，其轴与gx陀螺敏感轴重合，轴
在gx陀螺与gy陀螺敏感轴所确定的平面内且gy陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏
差角，轴方向符合右手规则且gz陀螺敏感轴方向偏离轴一个小的安装偏差角；
b系为变换后的IMU坐标系，采用前-右-下方向，zb轴与恒速偏频旋转轴重合，xb轴、yb轴
与偏频旋转轴正交，xb轴与轴及zb轴在同一平面内，与n系间的方向余弦矩阵为bg系、b系固联于旋转台面中并随转台连续转动，转速Ω(转台旋转轴指向下方，顺时针
方向为正)，周期T，t时刻与转台零位夹角α(t)；
bp系为转台台体坐标系，与b系在t＝0时刻重合，与n系间的方向余弦矩阵为为b系与bp系之间的转换矩阵，可由α(t)表示为：
Cbbp=cosα(t)-sinα(t)0sinα(t)cosα(t)0001---(1)]]>步骤三：偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算：
b系下偏频旋转轴方向敏感角速率可表示为，
ωibzb=ωdzkdz+Ω-[kdxcosα(t)+kdysinα(t)]ωibxbkdz--[kdxsinα(t)+kdycosα(t)]ωibybkdz---(2)]]>式中，是b系下载体角速度，bp系中机械抖动激光陀螺敏感轴单位矢量为[kdxkdykdz]T，其敏感角速率理论值为ωdz，上标T表示向量或矩阵的转置，Δt是采样时间间隔；
由式(2)积分可得相应的陀螺角增量采样值，根据b系中恒速偏频激光陀螺IMU提供的
垂直于旋转轴的角增量固联于bp系中的机抖陀螺的角增量
偏频旋转机构的角位置α(t)和角增量Δα(t)，可计算出b系沿偏频旋转轴方向的
角增量步骤四：精确标校bg系与b系之间的安装关系矩阵设置bg系三个恒速偏频激光陀螺
工作在机械抖动偏频模式下，利用水平姿态角γ(滚动角)和θ(俯仰角)的计算结果对进
行精确标校；
步骤五：精确标校机械抖动激光陀螺敏感轴的单位矢量[kdxkdykdz]：设置三个恒速偏
频激光陀螺工作在机械抖动偏频模式下，保持不变时有：
ωdz=kdxkdykdzωibpbp=kdxkdykdzCbbpωibb---(3)]]>式中，表示bp系的旋转角速率；
整个惯导系统按照不同的倾斜方式置于单轴转台上，单轴转台正反方向旋转，消除地
球自转角速度及陀螺常值漂移误差影响，根据即可估
计出参数[kdxkdykdz]；
步骤六：初始对准卡尔曼滤波器设计：
选取三个姿态误差(φN、φE、φD)和三个速度误差(δVN、δVE、δVD)作为误差状态，器件误
差中，选取三个加速度计零偏作为误差状态，选取偏频旋转轴方向等
效陀螺采样值常值零偏偏差耦合造成的北向等效陀螺漂移εN作为误差状态，即
x=φNφEφDδVNδVEδVDδfxbδfybδfzbδωibzbϵNT---(4)]]>构建系统状态方程如下：
x·=Fx+Gw---(5)]]>式中，x表示系统误差状态，表示系统误差状态微分，F表示系统误差矩阵，G表示系统
噪声输入矩阵，w表示系统噪声：
w＝[wgxwgywgzwaxwaywaz]T(6)
式中，wgx、wgy和wgz为陀螺测量噪声，wax、way、waz为加速度计测量噪声；
选取n系下速度误差δVN、δVE和δVD作为观测量，构建观测方程如下：
z＝Hx+υ(7)
式中，z为观测量，H为测量矩阵，υ为测量噪声；
步骤七：纯惯导误差修正补偿：
利用初始对准卡尔曼滤波对和ζN的估计值，在纯惯导过程中
进行修正补偿，完成导航解算，修正补偿方法如下：
f^b=f~b-δf^b---(8)]]>ω^ibzb=ω~ibzb-δω^ibzb---(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文启，周跃诚，王林，李云，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43