一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法，首先将惯性导航系统安装在转台上，设置四环框架系统的工作模式为外环伺服跟踪内转角信号，并让惯性导航系统进行预热，然后建立比力模误差的矩阵观测方程，根据当前地理纬度，计算两位置或三位置下所有平台布局方案对应的观测矩阵的条件数，选出条件数最小的平台布局方案，并按方案调整惯性导航系统平台，在每一个平台布局下连续采集一昼夜的比力数据，最后将比力数据输入到静态卡尔曼滤波器中并估计出相应的加速度计误差参数。本发明专利技术可精确估计出加速度计9个误差参数，仿真结果表明该方法的标定精度可达1×10‑6 g量级，方法可行、简便、经济，具有较强的工程应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法
本专利技术涉及仪器仪表标定
，尤其涉及一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法。
技术介绍
惯性导航系统以牛顿力学为基础，唯一需要的信息是载体的运动加速度，不依赖任何外部参考信息就能提供导航参数，是名副其实的自主式导航系统。惯性导航系统不向外部辐射任何能量，具有很好的隐蔽性，而且很少受天气和人为等干扰因素的影响，在航空，航海，地面车辆和大地测量等
具有广泛的应用。作为比力敏感元件，加速度计是惯性导航系统的核心元件之一。对于空间稳定系统而言，加速度计组件的测量误差，一方面，在导航阶段通过导航解算机械编排直接造成同等量级的交变型或常值型的导航误差；另一方面，在初始对准与标定阶段通过影响陀螺漂移系数的估计精度而间接造成随时间积累的导航误差。由于实际的加速度计组件存在电路、机械、光学以及加工装配误差等诸多因素，比力测量将不可避免地出现系统性误差，并且这种误差不是长期稳定的。对系统性误差进行定期标定和补偿是提高加速度计测量精度的一个重要举措。加速度计标定方法大致可分为两类：实验室标定法和系统级标定法。基于实验室环境的标定法，如十八位置标定法十位置标定法和全组合标定法等，这类方法依赖于静止基座条件和双轴/三轴精密转台设备提供精确的姿态与姿态角速率信息，由于在实际应用场合往往无法提供理想的实验室环境，这类方法在应用现场难以实现。而且，如前所述，加速度计组件的系统误差是需要定期标定的，若采用基于实验室环境的标定法，则定期拆装加速度计组件是不可避免的，因而将增加维护成本和风险(拆装过程可能损坏其它部件)。而系统级标定法(或称为在线标定法)，如基于比力模的加速度计标定方法，这种方法主要利用的是：准静态条件下理想加速度计组件输出的比力模等于本地重力值。这种标定法不依赖转台等精密设备，对现场环境的适应性强，但是可分离出的误差参数个数有限，并且会有较大的参数估计误差，尤其是在系泊状态下，由于载体角运动，系统无法处在惯性稳定的状态下，使得系统的动态测量精度大大降低。
技术实现思路
针对上述现有技术不足，本专利技术提供一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法，可以根据实际精度需要，选择两位置法或者三位置法并利用Kalman滤波器在线估计出6个或9个加速度计误差参数，并在加速度计组件层面上进行误差补偿，提高惯性导航系统的动态测量精度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法，包括以下步骤：步骤S1：将惯性导航系统安装在转台上，设置四环框架系统的工作模式为外环伺服跟踪内转角信号，并让惯性导航系统进行预热；步骤S2：建立比力模误差的矩阵观测方程，根据当前地理纬度，计算两位置或三位置下所有平台布局方案对应的观测矩阵的条件数，并选出条件数最小的最优平台布局方案；步骤S3：按最优方案调整惯性导航系统平台，在每一个平台布局下连续采集一昼夜的比力数据；步骤S4：将比力数据输入到静态卡尔曼滤波器中并估计出相应的加速度计误差参数。进一步地，所述步骤S2具体包括：步骤S21：针对三轴加速度计组件，建立基于比力模误差的矩阵观测方程：z＝Hx+v(t)(1)式中，其中，gl为比力模标称值，Δgl为标称比力模误差，为平台坐标系中比力矢量的计算值，fP为平台坐标系中比力矢量的真值；为平台坐标系中的零偏矢量；nP为平台坐标系中的随机噪声矢量；Δλx、Δλy和Δλz分别为沿x、y和z敏感轴的相对标度因数误差，Δαz、Δαy和Δαx分别为沿z、y和x轴的非正交安装误差,Δαz＝Δβyz-Δβxz，Δαy＝Δβxy-Δβzy，Δαx＝Δβzx-Δβyx,Δβmn为m敏感轴绕平台坐标系n轴的安装误差，m＝x,y,z；n＝x,y,z；m≠n；加速度计组件误差参数共9个，包括相对标度因数误差Δλx、Δλy、Δλz，零偏误差非正交安装误差角Δαx、Δαy和Δαz；步骤S22：忽略垂线偏差的影响，将北东地坐标系中的重力矢量转化为平台坐标系中的比力矢量，并代入公式(1)，得到新的比力模误差观测方程中包含五个正交项系数，且各项系数均为加速度计组件9个误差参数的线性组合，5个正交项系数与9个加速度计组件误差系数之间的关系可记为式中，c＝[c0c1cc1sc2cc2s]T表示5个正交项系数向量；sij＝[v1iv1jv2iv2jv3iv3j|v1iv2jv1iv3jv2iv3j]T，ej＝[v1jv2jv3j]T，vi的第j个元素记为vij；i＝1,2,3，j＝1,2,3，L为本地地理纬度；φy为重力圆锥面对称轴与平台坐标系z轴之间的夹角，ψz为重力圆锥面对称轴在平台坐标系xoy平面上的投影与平台坐标系x轴之间的夹角，重力圆锥面为在平台坐标系中连续观看本地重力矢量时，其轨迹形成的以地球自转轴为对称轴、半顶角为90°－L的圆锥面，φy和ψz用于描述重力圆锥面相对平台坐标系的角位置，一组φy和ψz的取值为一个平台布局，在同一纬度，设定不同的φy和ψz，可得到在不同角位置的重力圆锥面；由准静态条件下N个不同位置的比力数据，N≥2，则根据式(2)可确定相应的正交项系数向量：c1,c2,…,cN，同时，对第i个位置，可得矩阵：Si、Ei和Pi，i＝1,2,…,N；若记x1＝[ΔλxΔλyΔλz|ΔαzΔαyΔαx]T，则有ζN＝FNx(3)如采用最小二乘法由式(2)估计x，要求矩阵可逆，或者秩等于9；其中，为N位置情况下对应的观测矩阵；步骤S23：采用数值仿真方法，令φy∈[-180°,0]，ψz∈[-180°,180°)，分别对φy和ψz在各自的取值区间上进行等间隔抽样，抽样间隔均为Δ，Δ>0，且令180°/Δ是一整数，则φy和ψz分别有Ny和Nz个采样点，Ny＝180°/Δ+1，Nz＝360°/Δ；当φy＝0或180°时，ψz取任意值，对应的重力圆锥面角位置都相同；因此，重力圆锥面实际上只有K＝(Ny-2)Nz+2个不同的角位置；此时，对于N位置情况(N<K)，共有NA个不同的组合；对每个组合，都可按式(4)计算及其秩和条件数，进而考察N位置情况下加速度计组件误差的可观测性和可观测度；步骤S24：根据实际精度需要，选择N＝2或N＝3，计算两位置或三位置下当前纬度所有平台布局对应的观测矩阵的条件数，并选出条件数最小的平台布局方案。进一步地，所述静态卡尔曼滤波器具体设计方案为：根据公式(1)，将观测矩阵H中的比力真值用相应的计算值替换：并设E[v(t)]＝0，E[v(t)·v(τ)]＝R·δ(t-τ)，R>0，δ(t)为狄拉克δ函数，得到9维静态卡尔曼滤波器，对标度因数和零偏误差进行在线估计：计算滤波增益Kk:测量修正:其中，k＝1,2,3,…；为滤波器状态初始值，P0为相应的协方差阵初始值；观测噪声阵R＝0.001，滤波器状态初始值为0向量，相应的协方差阵初始值是主对角元均为1×1010、其它元素均为零的9阶方阵。进一步地，选择N＝2或N＝3时，限定其中一个位置的φy＝0。与现有技术相比，本专利技术具有有益效果：(1)结合比力模误差观测和惯性稳定的原理进行在线标定加速度计，在系泊状态下保持惯性平台相对惯性坐标系稳定在某个位置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将惯性导航系统安装在转台上，设置四环框架系统的工作模式为外环伺服跟踪内转角信号，并让惯性导航系统进行预热；步骤S2：建立比力模误差的矩阵观测方程，根据当前地理纬度，计算两位置或三位置下所有平台布局方案对应的观测矩阵的条件数，并选出条件数最小的最优平台布局方案；步骤S3：按最优平台布局方案调整惯性导航系统平台，在每一个平台布局下连续采集一昼夜的比力数据；步骤S4：将比力数据输入到静态卡尔曼滤波器中并估计出相应的加速度计误差参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于比力模和惯性稳定的加速度计系泊状态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将惯性导航系统安装在转台上，设置四环框架系统的工作模式为外环伺服跟踪内转角信号，并让惯性导航系统进行预热；步骤S2：建立比力模误差的矩阵观测方程，根据当前地理纬度，计算两位置或三位置下所有平台布局方案对应的观测矩阵的条件数，并选出条件数最小的最优平台布局方案；步骤S3：按最优平台布局方案调整惯性导航系统平台，在每一个平台布局下连续采集一昼夜的比力数据；步骤S4：将比力数据输入到静态卡尔曼滤波器中并估计出相应的加速度计误差参数。2.根据权利要求1所述的加速度计系泊状态标定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S21：针对三轴加速度计组件，建立基于比力模误差的矩阵观测方程：z＝Hx+v(t)(1)式中，其中，gl为比力模标称值，Δgl为标称比力模误差，为平台坐标系P系中比力矢量的计算值，fP为平台坐标系P系中比力矢量的真值；为平台坐标系P系中的零偏矢量；nP为平台坐标系P系中的随机噪声矢量；Δλx、Δλy和Δλz分别为沿x、y和z敏感轴的相对标度因数误差，Δαz、Δαy和Δαx分别为沿z、y和x轴的非正交安装误差,Δαz＝Δβyz-Δβxz，Δαy＝Δβxy-Δβzy，Δαx＝Δβzx-Δβyx,Δβmn为m敏感轴绕平台坐标系P系n轴的安装误差，m＝x,y,z；n＝x,y,z；m≠n；加速度计组件误差参数共9个，包括相对标度因数误差Δλx、Δλy、Δλz，零偏误差非正交安装误差角Δαx、Δαy和Δαz；步骤S22：忽略垂线偏差的影响，将北东地坐标系n系中的重力矢量转化为平台坐标系P系中的比力矢量，并代入公式(1)，得到新的比力模误差观测方程中包含五个正交项系数，且各项系数均为加速度计组件9个误差参数的线性组合，5个正交项系数与9个加速度计组件误差系数之间的关系可记为式中，c＝[c0c1cc1sc2cc2s]T表示5个正交项系数向量；sij＝[v1iv1jv2iv2jv3iv3j|v1iv2jv1iv3jv2iv3j]T，ej＝[v1jv2jv3j]T，vi的第j个元素记为vij；i＝1,2,3，j＝1,2,3，L为本地地理纬度；φy为重力圆锥面对称轴与平台坐标系z轴之间的夹角，ψz为重力圆锥面对称轴在平台坐标系xoy平面上的投影与平台坐标系x轴之间的夹角，重力圆锥面为在平台坐标系P...

【专利技术属性】
技术研发人员：何虔恩，曾聪杰，林志贤，陈恩果，叶芸，郭太良，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35