带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法技术方案

本发明专利技术提供一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，在初始位置按照转位机构绕指定框架转动一定角度，采集惯导系统的陀螺和加速度计数据；根据数据得到三个位置姿态矩阵，并计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位；依据三个位置姿态矩阵和等效北向陀螺漂移计算结果进行反解得到ε

【技术实现步骤摘要】
带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法
本专利技术提供了一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，属于惯性导航领域。
技术介绍
为了提高惯性传感器精度成本高、周期长、难度大，通过对模型的改进和算法的合理设计可以有效的提高惯导系统的精度。与平台式惯性导航系统相比，捷联惯导系统具有反应快、成本低、信息全、可靠性高的优点。为避免反复将捷联惯导系统从载体上拆下进行参数标定，节约使用成本。捷联惯导增加双轴转位机构，使捷联惯导系统的免拆自检、标定和维护，有利于提高可操作性和机动性。捷联惯导系统自对准，由惯性敏感元件的输出信息，经过导航计算机按照对准程序实时运算，不断地将数学平台变换到能精确描述理想载体坐标系到地理坐标系的方向余弦阵。传统的捷联式惯导系统由于无转位机构，自对准为单位置自对准，其本质是将重力加速度的方向做为水平对准的基准，其对准精度主要取决于两个加速度计的精度。用于方位对准本质是将地球角速率的北向分量方向做为方位对准的基准，其对准精度主要取决于东向陀螺漂移，参见(杨晓霞,黄一.外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析.中国惯性技术学报,2008,16(6):657-664.)、(严恭敏,翁浚,赵长山,等.捷联惯导系统改进参数辨识初始对准方法.中国惯性技术学报,2010,18(5):523-526.)。带有单轴转位机构的捷联惯导系统能够在姿态接近水平的条件下，对等效东向陀螺的漂移进行辨识，进而提高自对准的精度(白亮,秦永元,孙丽.晃动基座下的双位置参数辨识精对准仿真研究.计算机仿真,2009,26(1):83-87.)。对双轴转位机构的捷联惯导系统，由于存在双轴转位机构，可以通过旋转转位机构进行多位置对准，通过对自对准误差模型分析，设计了三位置的快速自对准方法，可有效提高带双轴转位机构的捷联惯导系统的自对准精度。
技术实现思路
为了克服现有单位置自对准和双位置自对准技术的不足，针对当前带双轴转位机构的捷联惯导系统，本专利技术提出了一种带双轴转位机构的捷联惯导三位置参数辨识自对准方法，通过设置双轴转位机构的旋转次序和位置，提出了有效提高自对准精度的三位置自对准方法。本专利技术的技术解决方案是提供一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，包括以下步骤：(1)在初始位置按照转位机构先绕其中一个框架(记为X框架)转动一定角度(记为a角度)，再绕另一框架(记为Y框架)转动一定角度(记为b角度)，作为捷联惯导系统自对准的第一位置，采集惯导系统的陀螺和加速度计数据；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第一位置姿态矩阵并计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(2)绕Y框架转动-b角度得到第二位置，在第二位置采集陀螺和加速度计的输出；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第二位置姿态矩阵计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(3)绕X框架转动-a角度，回到初始位置，作为第三位置，在第三位置采集陀螺和加速度计的输出；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第三位置姿态矩阵计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(4)依据三个位置姿态矩阵和和计算结果进行反解得到εx、εy和εz；其中利用第三位置的姿态矩阵和εx、εy和εz计算依据三个位置姿态矩阵和和测漂结果进行反解得到和其中利用第三位置的姿态矩阵和和计算和(5)根据步骤(4)的计算结果，得到和后，对第三位置的参数辨识精对准计算的失准角进行补偿，得到最终的对准结果。以第一角度为a＝-90°，第二角度为b＝-90°。静态情况下，捷联惯导系统通过自身的导航解算得到的速度信息即为速度误差[ΔVE(t)ΔVN(t)ΔVU(t)]T通过对速度误差按照公式(5)进行参数辨识，具体辨识方法可采用最小二乘法或卡尔曼滤波法。其中VDE、VDN和VDU是对做简谐波动的等效干扰加速度的积分，没有随时间增长的趋势。为加速度计在第三个位置的等效加速度计零偏。可将式(15)改写成：其中：Ts为捷连惯导系统的采样周期，和均可从速度误差中辨识出。对a1E、a2E、a3E、a1N、a2N、a3N和a1U辨识得到后，利用式(7)和式(8)求解得到uE、uN、uU、φE0、φN0和φU0。其中，ωie为地球自转角速度，L为对准所处的当地纬度。得到uE、uN、uU、φE0、φN0和φU0后，按照式(9)求解得到姿态误差角φ＝[φEφNφU]T。依据式(19)得到的φ＝[φEφNφU]T，按照式(10)对第三位置的姿态矩阵进行更新即为经过误差补偿后的最终姿态矩阵。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1)提出了一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法；2)本方法适用于捷联惯导系统在初始任意姿态角条件下的快速自对准；3)本专利技术可以有效缩短对准时间，提高带双轴转位机构的捷联惯导系统的自对准精度。附图说明图1为零位锁定时坐标系与两框架轴编排示意图；图2为初始位置及转位过程示意图；图3至图5分别为捷联惯导在第1、第2、第3三个位置的等效北向陀螺漂移和等效天向加速度计零偏的估计曲线；图6至图8为利用单位置自对准方法和基于参数辨识法三位置对准法的对准误差比较图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术方法的实施方式做详细说明。其具体步骤包括：步骤1，参数辨识法测漂模型以东北天坐标系作为导航坐标系，其中导航坐标系用n表示；以捷联惯导系统的右前上为机体坐标系，用b表示；惯性坐标系用i表示。设实际导航坐标系n′系偏离理想导航坐标系n系的对准失准角为φE、φN、φU，φ＝[φEφNφU]T可看作为n系到n′系的等效旋转矢量，由于失准角经粗对准后均为小角，因此，略去高阶小量后得其中：因此，由推导知，姿态误差角满足如下关系式：其中φ0＝[φE0φN0φU0]T为姿态误差角初值，εn＝[εEεNεU]T为导航坐标系内的等效常值漂移。进一步，可求得速度误差方程为：在式(8)中，ωie中的下标表示地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度,VDE、VDN和VDU是对做简谐波动的等效干扰加速度的积分，没有随时间增长的趋势。为导航坐标系内的等效加速度计零偏。可将式(8)改写成：在式(9)中，Ts为采样周期。其中和均可从速度误差中辨识出。得：参数辨识法确定的误差方程为三次曲线，而三次曲线在短时间内只呈现线性特性，所以辨识天向加速度计零偏所需时间最短，北向陀螺等效漂移所需时间较长，估计天向陀螺漂移所需时间更长。因此，为了尽可能缩短对准时间，对天向加速度计零偏和北向陀螺漂移进行估计。同时，由式(28)可以看出，φE0的极限精度为φN0的极限精度为φU0的极限精度为εN的极限精度为εU的极限精度为步骤3，三位置自对准方法本专利技术原理：由式(28)可得，若εE、和能够快速准确辨识出，即可提高初始失准角φE,φN,φU的计算精度，最终可大大的提高对准精度。因此，自对准的问题转化为如何快速准确辨识εE、和基于双轴捷联惯导系统的特点，本专利提出了基于改进模型的三位置对准法。在实际对准过程中，与相比，εE的影响较大。为减小εE的的影响，双位置中提出绕方位轴正向转90°再次进行对准。在该位置东向等效陀螺漂移的计算值其中为第二个位置处等效的北向陀螺漂移。但本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)在初始位置按照转位机构先绕其中一个框架，记为X框架，转动一定角度，记为a角度，再绕另一框架，记为Y框架，转动一定角度，记为b角度，作为捷联惯导系统自对准的第一位置，采集惯导系统的陀螺和加速度计数据；根据记录的

【技术特征摘要】
1.一种带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)在初始位置按照转位机构先绕其中一个框架，记为X框架，转动一定角度，记为a角度，再绕另一框架，记为Y框架，转动一定角度，记为b角度，作为捷联惯导系统自对准的第一位置，采集惯导系统的陀螺和加速度计数据；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第一位置姿态矩阵并计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(2)绕Y框架转动-b角度得到第二位置，在第二位置采集陀螺和加速度计的输出；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第二位置姿态矩阵计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(3)绕X框架转动-a角度，回到初始位置，作为第三位置，在第三位置采集陀螺和加速度计的输出；根据记录的到时刻陀螺和加速度计的输出，进行粗对准和参数辨识法精对准，得到第三位置姿态矩阵计算等效北向陀螺漂移和天向加速度零位(4)依据三个位置姿态矩阵和和计算结果进行反解得到εx、εy和εz；其中利用第三位置的姿态矩阵和εx、εy和εz计算依据三个位置姿态矩阵和和测漂结果进行反解得到▽x、▽y和▽z；其中利用第三位置的姿态矩阵和▽x、▽y和▽z计算和(5)根据步骤(4)的计算结果，得到和后，对第三位置的参数辨识精对准计算的失准角进行补偿，得到最终的对准结果。2.根据权利要求1所述的带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，其特征在于：以第一角度为a＝-90°，第二角度为b＝-90°。3.根据权利要求1或2所述的带双轴转位机构的惯导系统三位置参数辨识对准方法，其特征在于：静态情况下，捷联惯导系统通过自身的导航解算得到的速度信息即为速度误差[ΔVE(t)ΔVN(t)ΔVU(t)]T通过对速度误差按照公式(5)进行参数辨识，具体辨识方法可采用最小二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝飞，黎坤，徐兵华，郭林肖，万彦辉，江泽，陈志豪，
申请(专利权)人：西安航天精密机电研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61