一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法技术方案

本发明专利技术属于惯性导航技术领域，具体涉及一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法。它包括以下步骤：步骤1、自标定自对准旋转流程；步骤2、自标定自对准误差模型建立；步骤3、粗对准算法；步骤4、精对准导航滤波；本发明专利技术的显著效果是：本发明专利技术的一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法，针对光纤陀螺标度因数和零偏等稳定性差的缺陷，在双轴光纤惯导系统启动准备过程中，实现了快速自标定和自对准，确保系统在30min内能有效估计系统的主要误差参数，同时获得较高的对准精度。

A method of fast self calibration and self alignment for two axis optical fiber inertial navigation system

The invention belongs to the field of inertial navigation technology, in particular to a rapid self calibration and self alignment method of a biaxial optical fiber inertial navigation system. It includes the following steps: 1, self calibration and alignment rotation process; step 2, self calibration and alignment error model; step 3, the coarse alignment algorithm; step 4, fine alignment navigation; significant effect of this invention is a kind of multi axis fiber inertial navigation system of fast self calibration and alignment according to the standard method, fiber optic gyro scale factor and zero bias the defects of poor stability in biaxial fiber inertial navigation system start-up process, to achieve a rapid self calibration and self alignment error, to ensure that the main parameters of the system can effectively estimate the system in 30min, and obtain higher alignment accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法
本专利技术属于惯性导航
，具体涉及一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法。
技术介绍
国内外双轴激光旋转惯导系统的研究相对较为成熟，激光陀螺标度因数稳定，受温度磁场影响较小，所以系统设计相对简单。而光纤陀螺具有可靠性高，无机抖装置利于旋转机构的控制，且陀螺随机游走误差相对较小利于惯导系统对准的快速收敛等优点。所以，双轴光纤惯导系统引起越来越多人的注意，但光纤陀螺具有自身的缺陷：对温度和磁场较为敏感，同时标度因数和零偏稳定性较差。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题为：针对光纤陀螺的特性，提供一种适用于双轴光纤惯导系统的快速自标定自对准方法。本专利技术是这样实现的：一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法，包括以下步骤：步骤1、自标定自对准旋转流程30min系统自标定自对准的旋转流程如下所示：X轴向旋转流程X轴以30°/s正向旋转450°，旋转完成后停留1s，用时16s；Z轴向旋转流程，依次进行下述旋转Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留2s，用时5s；地向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留1s，用时4s；Y轴向旋转流程Y轴以30°/s正向旋转540°，旋转完成后停留1s，用时19s；天向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；以上步骤中每个旋转流程循环5次，即X轴向旋转循环5次，地向旋转循环5次，天向旋转循环5次，将以上流程循环6次，即整个步骤1循环6次，采集三个陀螺和三个加速度计的输出数据，内环和外环的旋转角度，步骤2、自标定自对准误差模型建立系统状态方程和量测方程如下：状态方程：观测方程：Z＝HX+VH＝[I5×505×24]，为的第一列，其中，δVn、δVu、δVe为惯导北、天、东速度误差；δL、δλ为惯导纬度和经度误差；φn、φu、φe为惯导北、天、东失准角；εx为惯导X轴(天向)陀螺仪零偏；为惯导X、Y、Z轴加速度计零偏；δKgx、δKgy、δKgz为陀螺仪标度因数误差；δGxy、δGyx、δGxz、δGzx、δGyz、δGzy为陀螺仪安装误差；为X轴朝上和朝下时，等效Y、Z加速度计零偏的不对称性；以上23个参数为待求解参数，Aout为外环角度，该参数由外部给出，R为地球半径，该参数为常数，由外部给出；ωie为地球自转角速率，该参数为常数，由外部给出；fN、fU、fE为惯导北、天、东向加速度，该参数由外部给出；表示的第一列和第二列；和sign是取内部数据的符号，若内部函数大于等于0取正，小于0取负VU天向速度、VN北向速度、VE动向速度，该三个参数的数值由导航系统给出，L为纬度、外部给定请解释C11～C33是矩阵中的元素，fx、fy是惯导x和y向的加速度，其数值由加速度计输出，经过误差补偿后获得，ω包含ωx、ωy、ωz，其中ωx、ωy、ωz分别为x、y、z方向的角速度，其数值由陀螺输出经误差补偿后获得，W＝[w1w2w300w4w5w60…0]T为23维系统噪声列向量，w1、w2、w3、w4、w5、w6均为零均值随机白噪声；V＝[v1v2v3v4v5]T为5维量测噪声列向量，v1、v2、v3、v4、v5均为零均值随机白噪声，步骤3、粗对准算法由陀螺采集数据经误差补偿后得到的角增量更新四元数：其中：k初值为0，表示当前时刻；k-1表示上一时刻；I为4×4阶单位矩阵；由计算姿态矩阵的公式如下：其中q0～q3用本步骤最开始的公式进行计算，计算得到中的四个元素就为q0～q3，将加速度计采集的速度增量Δv(k)＝[vxkvykvxk]T，利用姿态矩阵可求得ib0系下速度：与互为转置用下述公式计算速度Tn采样间隔，外部给定、g重力加速度、L是纬度，计算：取中间时刻和该中间时刻指粗对准时间的一半，以及粗对准结束时刻和可构造速度矩阵如下：利用最后得到的计算步骤4、精对准导航滤波粗对准完成后，系统旋转机构开始执行自标定自对准旋转流程，系统开始进行导航解算，其中陀螺标度因数误差初始值设为1，其余各个误差系数的初始值都设定为0；同时进行“速度+位置”匹配闭环卡尔曼滤波估计，主要涉及以下几个误差的修正，姿态误差的修正滤波估计得到的姿态误差为则姿态修正方程为：Tn,是采样间隔、的意义可以统一表示如下，以为例，其表示的是e坐标系相对于n坐标系的角速度的分量表示，速度误差的修正滤波估计得到的速度误差为δVn,δVu,δVe，则速度修正方程为：Vi＝Vi-δVi(i＝n、u、e)位置误差的修正滤波估计得到的位置误差为δL和δλ，则位置修正方程为：h＝h-δhλ＝λ-δλ误差参数的修正首先更新待辨识的各误差参数，如下所示：εx＝εx+X(9)δKgx＝δKgx+X(13)δKgy＝δKgy+X(14)δKgz＝δKgz+X(15)δGxy＝δGxy+X(16)δGyx＝δGyx+X(17)δGxz＝δGxz+X(18)δGzx＝δGzx+X(19)δGyz＝δGyz+X(20)δGzy＝δGzy+X(21)X(9)～X(23)表示X中第9～23个参数的数值，由此修正各误差参数：Dx＝Dx+εxKGx＝KGx·δKGxKGy＝KGy0·δKGyKGz＝KGz0·δKGzGxy＝Gxy+δGxyGyx＝Gyx+δGyxGxz＝Gxz+δGxzGzx＝Gzx+δGzxGyz＝Gyz+δGyzGzy＝Gzy+δGzy上述计算迭代进行，因此使用相同符号表示，误差进行闭环修正后，各状态变量清零，X(i)＝0，i＝1,2…23每一个循环结束时，要对中间变量进行处理：δGxy＝δGxy-δAyxδGxz＝δGxz-δAzxAyx＝Ayx+δAyxAzx＝Azx+δAzx修正后，两状态清零，其中，Ayx、Azx为惯导系统加速度计安装误差角；Bx、By、Bz为惯导系统加速度计零偏值；Kgx、Kgy、Kgz为惯导系统陀螺仪标度因数；Gxy、Gyx、Gxz、Gzx、Gyz、Gzy为惯导系统陀螺仪安装误差角；Dx、Dy、Dz为惯导系统陀螺仪零偏值，在惯导系统导航计算时，利用上述参数标定值进行补偿，补偿公式如下：其中，NAx、NAy、NAz为一个导航周期内加速度计输出脉冲数；NGx、NGy、NGz为一个导航周期内陀螺仪输出脉冲数；为惯导系统标定补偿后加速度值；为惯导系统标定补偿后角速度值。本专利技术的显著效果是：本专利技术的一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法，针对光纤陀螺标度因数和零偏等稳定性差的缺陷，在双轴光纤惯导系统启动准备过程中，实现了快速自标定和自对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法，包括以下步骤：步骤1、自标定自对准旋转流程30min系统自标定自对准的旋转流程如下所示：X轴向旋转流程X轴以30°/s正向旋转450°，旋转完成后停留1s，用时16s；Z轴向旋转流程，依次进行下述旋转Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留2s，用时5s；地向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以‑30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以‑30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留1s，用时4s；Y轴向旋转流程Y轴以30°/s正向旋转540°，旋转完成后停留1s，用时19s；天向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以‑30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以‑30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；以上步骤中每个旋转流程循环5次，即X轴向旋转循环5次，地向旋转循环5次，天向旋转循环5次，将以上流程循环6次，即整个步骤1循环6次，采集三个陀螺和三个加速度计的输出数据，内环和外环的旋转角度，步骤2、自标定自对准误差模型建立系统状态方程和量测方程如下：状态方程：...

【技术特征摘要】
1.一种双轴光纤惯导系统快速自标定自对准方法，包括以下步骤：步骤1、自标定自对准旋转流程30min系统自标定自对准的旋转流程如下所示：X轴向旋转流程X轴以30°/s正向旋转450°，旋转完成后停留1s，用时16s；Z轴向旋转流程，依次进行下述旋转Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留38s，用时44s；Z轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留2s，用时5s；地向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转90°，旋转完成后停留1s，用时4s；Y轴向旋转流程Y轴以30°/s正向旋转540°，旋转完成后停留1s，用时19s；天向旋转流程X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以-30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；X轴以30°/s正向旋转180°，旋转完成后停留1s，用时7s；以上步骤中每个旋转流程循环5次，即X轴向旋转循环5次，地向旋转循环5次，天向旋转循环5次，将以上流程循环6次，即整个步骤1循环6次，采集三个陀螺和三个加速度计的输出数据，内环和外环的旋转角度，步骤2、自标定自对准误差模型建立系统状态方程和量测方程如下：状态方程：观测方程：Z＝HX+VX＝[δVn、δVu、δVe、δL、δλ、φn、φu、φe、εx、▽x、▽y、▽z、δKgx、δKgy、δKgz、δGxy、δGyx、δGxz、δGzx、δGyz、δGzy、d▽y、d▽z]，H＝[I5×505×24]，为的第一列，其中，δVn、δVu、δVe为惯导北、天、东速度误差；δL、δλ为惯导纬度和经度误差；φn、φu、φe为惯导北、天、东失准角；εx为惯导X轴(天向)陀螺仪零偏；▽x、▽y、▽z为惯导X、Y、Z轴加速度计零偏；δKgx、δKgy、δKgz为陀螺仪标度因数误差；δGxy、δGyx、δGxz、δGzx、δGyz、δGzy为陀螺仪安装误差；d▽y、d▽z为X轴朝上和朝下时，等效Y、Z加速度计零偏的不对称性；以上23个参数为待求解参数，Aout为外环角度，该参数由外部给出，R为地球半径，该参数为常数，由外部给出；ωie为地球自转角速率，该参数为常数，由外部给出；fN、fU、fE为惯导北、天、东向加速度，该参数由外部给出；表示的第一列和第二列；和sign是取内部数据的符号，若内部函数大于等于0取正，小于0取负VU天向速度、VN北向速度、VE动向速度，该三个参数的数值由导航系统给出，L为纬度、外部给定请解释C11～C33是矩阵中的元素，fx、fy是惯导x和y向的加速度，其数值由加速度计输出，经过误差补偿后获得，ω包含ωx、ωy、ωz，其中ωx、ωy、ωz分别为x、y、z方向的角速度，其数值由陀螺输出经误差补偿后获得，W＝[w1w2w300w4w5w60…0]T为23维系统噪声列向量，w1、w2、w3、w4、w5、w6均为零均值随机白噪声；V＝[v1v2v3v4v5]T为5维量测噪声列向量，v1、v2、v3、v4、v5均为零均值随机白噪声，步骤3、粗对准算法由陀螺采集数据经误差补偿后得到的角增量更新四元数：其中：k初值为0，表示当前时刻；k-1表示上一时刻；I为4×4阶单位矩阵；

【专利技术属性】
技术研发人员：唐江河，刘峰，胡平华，詹双豪，黄鹤，苗成义，赵明，曲雪云，李爱萍，刘东斌，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11