一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法技术方案

本发明专利技术公开一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，1、建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型，得到外环轴旋转环架坐标系与内环轴旋转环架坐标系的转移矩阵

A calibration method for non orthogonal angle of rotation axis of dual axis rotating inertial navigation system

The invention discloses a non-orthogonal rotation angle calibration method for a dual-axis rotary inertial navigation system. 1. Establishing a non-orthogonal rotation angle error model of a dual-axis rotary inertial navigation system, and obtaining the transfer matrix between the outer ring axis rotating ring frame coordinate system and the inner ring axis rotating ring frame coordinate system.

【技术实现步骤摘要】
一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法
本专利技术涉及导航、制导与控制
，具体涉及一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法。
技术介绍
双轴旋转惯性导航系统通过物理性的内、外环轴有次序的转动，使惯性测量单元周期性的翻滚，能够有效的调制惯性器件误差项。但是无论采用何种的旋转方案和调制方法，虽然理论上可以调制掉所有误差量，但是在实际过程中由于误差模型的不确定性，部分误差并不能够完全的被调制抵消。所以仍需要在惯性导航系统工作前，对惯性测量单元(IMU)的误差参数进行标定，以降低元件误差对导航精度的影响。由于双轴旋转惯导系统力学编排是在双轴旋转环架模型无误的情况下设计，但是引入双轴旋转机构后，转动机构存在的误差会严重影响惯导系统力学编排的准确性，影响导航精度。所以旋转机构不可避免存在的误差，最终会影响导航定位精度，其中旋转轴系间非正交角误差是转动机构主要误差量，目前针对双轴旋转轴系间非正交的标定研究较少，已有的标定方法一般采用传统非线性滤波估计，但是计算复杂，工程实用性不强。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，能够标定出转轴非正交角误差，从而有效减小双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角引起的导航误差，提高了双轴旋转惯性导航系统的导航定位精度。实现本专利技术的技术方案如下：一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，包括如下步骤：步骤1、建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型，得到外环轴旋转环架坐标系与内环轴旋转环架坐标系的转移矩阵以及内环轴旋转环架坐标系与实际IMU坐标系的转移矩阵步骤2、当双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角存在时，利用和求解双轴旋转前IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵以及双轴旋转后IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵从而建立双轴旋转前后的IMU姿态阵变换矩阵步骤3、分别在仅内环轴旋转和仅外环轴旋转的情况下，利用求得双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角的标定量。进一步地，步骤1具体为：定义坐标系OXh1Yh1Zh1是内环轴旋转环架坐标系，s′为理想IMU坐标系框架，s为实际IMU坐标系框架，坐标系OXsYsZs为实际IMU坐标系，坐标系OXh2Yh2Zh2是外环轴旋转环架坐标系，θx、θy和θz分别为实际IMU坐标系和内环轴间存在的x、y和z方向的非正交角分量，ηx、ηy和ηz分别为内环轴和外环轴间存在的x、y和z方向的非正交角分量；坐标系OXh2Yh2Zh2和坐标系OXh1Yh1Zh1之间的转移矩阵为：坐标系OXh1Yh1Zh1和坐标系OXsYsZs之间的转移矩阵为：进一步地，步骤2具体为：当双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角存在时，双轴旋转前IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵表示为：其中，和分别表示和的逆矩阵，表示初始时刻内环轴所处在α0角度时状态矩阵，表示初始时刻外环轴所处在β0角度时状态矩阵，α0和β0分别表示内、外环轴初始时刻相对于零位置的转动角度，载体姿态矩阵为常量；双轴旋转后IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵表示为：其中，表示旋转后内环轴所处在α角度时状态矩阵，表示初始时刻外环轴所处在β角度时状态矩阵；建立双轴旋转前后的IMU姿态阵变换矩阵为：其中，和分别表示和的逆矩阵；对于式(6)中和的IMU姿态矩阵分别由环架旋转前、后IMU姿态解算求得，则由式(6)计算得其中，Cij表示两组姿态矩阵乘积第i行第j列的元素。进一步地，步骤3具体为：步骤3.1、令β＝β0＝α0＝0，α≠0，利用公式(6)和公式(7)解得IMU坐标系与内环轴系间的非正交角分量θx,θy为：式中，和分别表示内环轴旋转α角度前后时刻IMU姿态阵乘积矩阵中的第一行第三列、第三行第一列、第二行第三列和第三行第二列元素；步骤3.2、令α＝β0＝α0＝0，β≠0，通过公式(6)、公式(7)以及步骤3所得到非正交角分量θx、θy值，解得非正交角分量ηy和θz+ηz为：式中，和分别表示外环轴旋转β角度前后时刻IMU姿态阵乘积矩阵中的第一行第二列、第二行第一列、第一行第三列和第三行第一列元素；由此，得到了θx、θy、ηy和θz+ηz的非正交角分量。有益效果：(1)本专利技术通过内、外环轴与IMU坐标系间的关系，构建非正交角误差模型，给出旋转轴间存在的非正交角误差，为非正交角标定提供物理模型。(2)本专利技术给出一种基于两位置的非正交角自标定方法，通过载体的姿态角信息和非正交角与内、外旋转角速度的耦合关系，可以简单快速的标定出轴系间非正交角，与传统非线性滤波方法相比，能够避免构建复杂多维度状态矩阵造成的计算复杂、估计效果差等缺点，使其满足工程实践的需求。附图说明图1为双轴旋转惯性导航系统二位置转轴非正交角自标定方法的流程图；图2(a)为内环轴框架和外环轴框架之间的等效非正交角模型；图2(b)为实际IMU框架和内环轴框架之间的等效非正交角模型；图3为导航姿态角误差对比结果图；图4为导航速度误差对比结果图；图5为导航位置误差对比结果图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，通过建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角模型，利用二位置方法实现非正交角自标定，减小非正交角对导航精度的影响，有效提高了双轴旋转惯性导航系统的精度。本专利技术的标定方法原理是：根据双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角的特点，建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型。使用载体坐标系到IMU坐标系变换矩阵，实现二位置转轴非正交角自标定。具体流程如图1所示，包括以下步骤：步骤1，建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型。轴系间非正交角模型如图2所定义，其中OXh1Yh1Zh1和OXh2Yh2Zh2分别表示内、外环轴旋转环架坐标系。轴Zh1和Xh2分别表示内环轴和外环轴。内、外环轴系间非正交角由框架OXh1Yh1Zh1和OXh2Yh2Zh2之间存在的小角度失准角ηx、ηy和ηz耦合而成。与此同时，由于IMU固联在内环轴上，所以实际IMU坐标系和内环框架坐标系间也存在非正交性，由两坐标系间的失准角θx、θy和θz表示。本专利技术定义ηx、ηy、ηz、θx、θy和θz是引入双轴旋转环架后产生的非正交角分量，需要标定和补偿。坐标系OXh2Yh2Zh2和坐标系OXh1Yh1Zh1之间的转移矩阵为：由于非正交角为小角度误差，所以根据欧拉角性质，当忽略高阶小量，则公式(1)可简化为：同理，坐标系OXh1Yh1Zh1和坐标系OXsYsZs之间的转移矩阵可简化表示为：式中，s′为理想IMU坐标系框架，即零时刻其与内环轴完全重合；s为实际IMU坐标系。通过上述分析，双轴旋转式捷联惯导系统的轴系间非正交角模型即由六个小角度误差ηx、ηy，ηz，θx，θy和θz所构成，且该六个小角度误差均为常值。步骤2，求取载体坐标系到IMU坐标系变换矩阵，当考虑双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角存在时，IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵可以表示为：式中，α0和β0分别表示内、外环轴初始时刻相对于零位置的转动角度。和分别表示和的逆矩阵，表示初始时刻内环轴所处在α0角度时状态矩阵，表示初始时刻外环轴所处在β0角度时状态矩阵，由于载体保持静止，载体姿态矩阵为常量。双轴旋转仅使得IMU姿态发生变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型，得到外环轴旋转环架坐标系与内环轴旋转环架坐标系的转移矩阵

【技术特征摘要】
1.一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角误差模型，得到外环轴旋转环架坐标系与内环轴旋转环架坐标系的转移矩阵以及内环轴旋转环架坐标系与实际IMU坐标系的转移矩阵步骤2、当双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角存在时，利用和求解双轴旋转前IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵以及双轴旋转后IMU坐标系到导航坐标系的变换矩阵从而建立双轴旋转前后的IMU姿态阵变换矩阵步骤3、分别在仅内环轴旋转和仅外环轴旋转的情况下，利用求得双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角的标定量。2.如权利要求1所述的一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，其特征在于，步骤1具体过程为：定义坐标系OXh1Yh1Zh1是内环轴旋转环架坐标系，s′为理想IMU坐标系框架，s为实际IMU坐标系框架，坐标系OXsYsZs为实际IMU坐标系，坐标系OXh2Yh2Zh2是外环轴旋转环架坐标系，θx、θy和θz分别为实际IMU坐标系和内环轴间存在的x、y和z方向的非正交角分量，ηx、ηy和ηz分别为内环轴和外环轴间存在的x、y和z方向的非正交角分量；坐标系OXh2Yh2Zh2和坐标系OXh1Yh1Zh1之间的转移矩阵为：坐标系OXh1Yh1Zh1和坐标系OXsYsZs之间的转移矩阵为：3.如权利要求1所述的一种双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角标定方法，其特征在于，步骤2具体过程为：当双轴旋转惯性导航系统转轴非正交角存在时...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙牧，邓志红，石雷，肖烜，王博，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11