一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法技术

本发明专利技术属于惯性导航技术领域，特别涉及一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法。本发明专利技术的方法首先以惯性器件输入轴为基准建立了系统坐标系，其次基于惯性平台工作原理，以惯性平台姿态角为中间量建立系统动力学模型和观测模型，然后通过可观性分析设计惯性平台自标定自对准所需的平台加矩方案，最后选用平台姿态角及平台各项误差系数作为系统状态量，通过降维容积Kalman滤波实现对惯性平台的自主标定与对准。本发明专利技术提供的方法能够改变惯性平台现有的标定和对准模式，简化了惯性平台自标定和自对准的过程，消弱了系统标定与对准之间的强耦合作用，为提高惯性平台实际使用精度提供了基础理论和技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法
专利技术属于惯性导航
，特别涉及一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法。
技术介绍
平台式惯性导航系统(又称惯性平台)具有自主性强、抗干扰能力强、短时精度高以及导航频率高等其他导航系统难以比拟的优点。因此，在卫星导航系统取得厘米级精度的情况下，高精度的惯性导航系统仍作为某些运载体(如飞机、火箭、航天飞机、潜艇等)的核心导航系统。然而，作为一种递推式自主导航系统，惯性平台导航系统在使用前需要完成两项准备工作，即标定和初始对准，而标定和对准的误差将会累积到系统的导航误差中，且会随导航时间推移逐渐变大。因此，先进的惯性平台自标定和自对准技术是快速提高惯性平台导航系统性能的低成本、高效率手段。正因如此，高性能的惯性平台自标定自对准技术一直是国内外的研究热点。在众多惯性平台导航系统自标定自对准方法之中，连续翻滚自标定自对准技术是一种适用于惯性平台导航系统的高精度、低成本的自标定和自对准技术。公开文献表明，现有的惯性平台连续翻滚自标定自对准技术均是基于失准角模型和框架角模型进行研究的。然而失准角模型则需要系统首先满足小角度假设条件，这在现实中很难保证，特别是在滤波过程中，需要实时对系统进行补偿，对系统的计算能力要求较为苛刻。框架角模型则会引入框架角观测误差、框架安装误差、平台基座安装误差等，降低了标定和对准的精度。此外，框架角系统模型具有一定局限性，不适用于全姿态三框架四轴等惯性平台导航系统。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是针对上述问题，提出一种惯性平台静基座下连续翻滚自标定自对准方法。该方法将惯性平台的对准与标定视为整体，采用姿态角作为系统中间状态量，建立系统模型，从而从根源上避免了框架角或失准角模型导致系统可能奇异的弊端。其次，针对系统非线性、高维的特点，本专利技术中采用降维容积Kalman滤波(ReducedCubatureKalmanFilter，RDCKF)算法，在保证系统精度的同时大幅度的降低了计算量。利用该方法可以大幅度的提高惯性平台导航系统的导航精度，具有较强的经济效益和工程指导意义。本专利技术的连续翻滚自标定自对准方法步骤如下：第一步，系统坐标系建立；第二步，系统建模；第三步，惯性平台连续翻滚加矩方案设计；第四步，惯性平台连续翻滚自标定自对准算法。本专利技术的技术方案是：一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立系统坐标系，具体为：如图1和图2所示，根据惯性平台与惯性仪表之间的装配关系，所述惯性仪表包括单自由度三浮陀螺仪Gx、Gy、Gz以及石英加速度计Qx、Qy、Qz，定义如下坐标系：平台坐标系p系：取平台几何中心O为原点，OXp轴与Qx石英加速度计敏感轴平行，OYp轴平行于Qx和Qy石英加速度计敏感轴所确定的平面，并与OXp轴垂直，OZp轴与OXp轴和OYp轴构成右手坐标系；单自由度陀螺仪坐标gi系，i＝x,y,z：坐标轴分别与该陀螺仪的输入轴I、输出轴O和自转轴S平行；陀螺仪敏感轴坐标sg系：坐标轴与三个单自由度陀螺仪的输入轴方向一致，由于陀螺仪安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；单自由度加速度计坐标ai系，i＝x,y,z：原点O与平台中心重合，坐标系各轴分别与石英加速度计i的输入轴I、摆轴P和输出轴O平行；加速度计敏感轴坐标sa系：原点O与平台中心重合，坐标轴与三个石英加速度计的输入轴方向一致，由于加速度计安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；计算平台坐标c系：将计算机所建立的数字平台坐标系定义为计算平台坐标系，由于初始对准误差、安装误差、陀螺仪漂移等误差因素，使得该坐标系与p系并不重合，存在小角度偏差；导航坐标n系：选择当地地理系作为导航坐标系，即北天东坐标系；惯性坐标i系：选择导航初始时刻的当地地理系作为惯性坐标系；令平台系p至导航系n的欧拉角分别为γ、β和α，对应的转序为3-2-1转序，二者之间的方向余弦矩阵可表示为S2、系统建模，包括：S21、建立惯性仪表误差模型：对Gx陀螺仪，单自由度三浮积分陀螺仪漂移表示为：εx＝DFx+DIxagxI+DOxagxO+DSxagxS+wx(公式2)其中DFx为陀螺仪零偏，DIx、DOx和DSx为Gx陀螺仪一次项系数，静基座下，有其中gn为重力矢量在导航系下投影，为平台坐标系到Gx陀螺仪坐标系的姿态矩阵；同理可得出Gy、Gz陀螺仪的漂移模型；对Qx加速度计，单自由度石英加速度输出方程可表示为其中ka0x为加速度计常值零偏，ka1x和分别为加速度计刻度因子误差系数和刻度因子不对称项系数，υx为加速度计测量噪声，aaxI为加速度计I轴方向比力，静基座下，有其中为平台坐标系到Qx加速度计坐标系的姿态阵，同理可得出Qy、Qz加速度计的输出方程；根据陀螺力矩器的线性偏差，其误差模型可表示为：ωout＝(I3+△KG)ωcmd,其中ΔkGx、ΔkGy和ΔkGz分别表示三个陀螺仪的力矩误差系数；S22、建立惯性仪表安装误差模型：假设惯性器件的安装误差角均满足小角度假设，p系至sa与sg系的姿态矩阵可分别写为其中θ与Δ分别记为加速度计与陀螺仪安装误差角，下标ij，i＝x,y,z，j＝I,O,S,P；表示i方向上的惯性器件沿j轴的安装误差；S23、建立系统模型：令系统状态量为其中θA为平台姿态角向量，Kg0为由三个陀螺仪零偏组成的向量，Kg1为由九个陀螺仪一次项组成的向量，△KG为由三个陀螺力矩误差系数组成的向量，Δg为由六个陀螺仪安装误差角组成的向量，Ka0为由三个加速度计零偏组成的向量，Ka1为由三个加速度计刻度因子误差项组成的向量，θa为由三个加速度计安装误差角组成的向量，为由三个加速度计刻度因子不对称项组成的向量；忽略平台各误差系数之间的乘积，所建立的系统模型为：其中：S3、惯性平台连续翻滚加矩：惯性平台连续翻滚加矩方案中平台相对导航系角速度指令设计如下：S31、平台归零，即S32、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转1800s；S33、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S34、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转1800s；S35、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S36、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S37、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S38、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S39、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S310、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S311、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S312、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S313、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S314、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S315、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S316、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S317、平台跟踪地理系，相对静止600s，即整个方案共计旋转3圈，需14400s(4h)；根据上述步骤，获得平台施矩指令角速度ωcmd：其中为导航系统下地球自转角速度，为计算平台坐标系相对导航坐标系的姿态阵，且满足：表示的反对称矩阵；图3给出了惯性平台加矩指令角速度曲线的示意图；S4、惯性平台连续翻滚自标定自对准：假本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立系统坐标系，具体为：根据惯性平台与惯性仪表之间的装配关系，所述惯性仪表包括单自由度三浮陀螺仪Gx、Gy、Gz以及石英加速度计Qx、Qy、Qz，定义如下坐标系：平台坐标系p系：取平台几何中心O为原点，OXp轴与Qx石英加速度计敏感轴平行，OYp轴平行于Qx和Qy石英加速度计敏感轴所确定的平面，并与OXp轴垂直，OZp轴与OXp轴和OYp轴构成右手坐标系；单自由度陀螺仪坐标gi系，i＝x,y,z：坐标轴分别与该陀螺仪的输入轴I、输出轴O和自转轴S平行；陀螺仪敏感轴坐标sg系：坐标轴与三个单自由度陀螺仪的输入轴方向一致，由于陀螺仪安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；单自由度加速度计坐标ai系，i＝x,y,z：原点O与平台中心重合，坐标系各轴分别与石英加速度计i的输入轴I、摆轴P和输出轴O平行；加速度计敏感轴坐标sa系：原点O与平台中心重合，坐标轴与三个石英加速度计的输入轴方向一致，由于加速度计安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；计算平台坐标c系：将计算机所建立的数字平台坐标系定义为计算平台坐标系，由于初始对准误差、安装误差、陀螺仪漂移等误差因素，使得该坐标系与p系并不重合，存在小角度偏差；导航坐标n系：选择当地地理系作为导航坐标系，即北天东坐标系；惯性坐标i系：选择导航初始时刻的当地地理系作为惯性坐标系；令平台系p至导航系n的欧拉角分别为γ、β和α，对应的转序为3‑2‑1转序，二者之间的方向余弦矩阵可表示为...

【技术特征摘要】
1.一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立系统坐标系，具体为：根据惯性平台与惯性仪表之间的装配关系，所述惯性仪表包括单自由度三浮陀螺仪Gx、Gy、Gz以及石英加速度计Qx、Qy、Qz，定义如下坐标系：平台坐标系p系：取平台几何中心O为原点，OXp轴与Qx石英加速度计敏感轴平行，OYp轴平行于Qx和Qy石英加速度计敏感轴所确定的平面，并与OXp轴垂直，OZp轴与OXp轴和OYp轴构成右手坐标系；单自由度陀螺仪坐标gi系，i＝x,y,z：坐标轴分别与该陀螺仪的输入轴I、输出轴O和自转轴S平行；陀螺仪敏感轴坐标sg系：坐标轴与三个单自由度陀螺仪的输入轴方向一致，由于陀螺仪安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；单自由度加速度计坐标ai系，i＝x,y,z：原点O与平台中心重合，坐标系各轴分别与石英加速度计i的输入轴I、摆轴P和输出轴O平行；加速度计敏感轴坐标sa系：原点O与平台中心重合，坐标轴与三个石英加速度计的输入轴方向一致，由于加速度计安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；计算平台坐标c系：将计算机所建立的数字平台坐标系定义为计算平台坐标系，由于初始对准误差、安装误差、陀螺仪漂移等误差因素，使得该坐标系与p系并不重合，存在小角度偏差；导航坐标n系：选择当地地理系作为导航坐标系，即北天东坐标系；惯性坐标i系：选择导航初始时刻的当地地理系作为惯性坐标系；令平台系p至导航系n的欧拉角分别为γ、β和α，对应的转序为3-2-1转序，二者之间的方向余弦矩阵可表示为S2、系统建模，包括：S21、建立惯性仪表误差模型：对Gx陀螺仪，单自由度三浮积分陀螺仪漂移表示为：εx＝DFx+DIxagxI+DOxagxO+DSxagxS+wx(公式2)其中DFx为陀螺仪零偏，DIx、DOx和DSx为Gx陀螺仪一次项系数，静基座下，有其中gn为重力矢量在导航系下投影，为平台坐标系到Gx陀螺仪坐标系的姿态矩阵；同理可得出Gy、Gz陀螺仪的漂移模型；对Qx加速度计，单自由度石英加速度输出方程可表示为其中ka0x为加速度计常值零偏，ka1x和分别为加速度计刻度因子误差系数和刻度因子不对称项系数，υx为加速度计测量噪声，aaxI为加速度计I轴方向比力，静基座下，有其中为平台坐标系到Qx加速度计坐标系的姿态阵，同理可得出Qy、Qz加速度计的输出方程；根据陀螺力矩器的线性偏差，其误差模型可表示为：ωout＝(I3+△KG)ωcmd,其中ΔkGx、ΔkGy和ΔkGz分别表示三个陀螺仪的力矩误差系数；S22、建立惯性仪表安装误差模型：假设惯性器件的安装误差角均满足小角度假设，p系至sa与...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁智坚，周欢，吴颖川，贺元元，吴东升，王锋，刘建霞，陈圣兵，武龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三八二零部队吸气式高超声速技术研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51