一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法技术方案

本发明专利技术公开一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法，该方法根据光纤惯导系统原理，建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段，在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使光纤惯导系统具有阻尼特性，抑制光纤惯导姿态、速度、位置输出的舒拉振荡成分。本发明专利技术在光纤惯导水平阻尼网络控制模型的基础上，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段设计等；在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使惯导系统具有阻尼特性，自主消除捷联惯导系统中所固有的误差振荡，提高了捷联惯导系统精度。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法
本专利技术涉及一种光纤惯导系统误差补偿方法，尤其涉及一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法。
技术介绍
根据光纤惯导系统原理，以系统北向回路为例，建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型。系统北向的加速度计敏感到载体比力后，经过有害加速度和加速度计器件误差的补偿得到北向加速度，经积分后得到载体的北向运动速度，从而得到了载体因北向运动引起的东向旋转角速率，而陀螺敏感的角速率为载体相对于惯性空间的角速度，该角速率为地球角速率，运动角速率以及载体姿态角速率的合成。在得到了运动角速率后，经过陀螺器件误差的补偿后，可以得到载体东向的姿态角速率，经积分后得到了载体东向的姿态信息。未加入阻尼环节时，系统满足加速度无干扰条件，载体的加速度不会影响系统的姿态角。通过向系统中加入阻尼环节，改变系统特征根，使得系统在常值误差激励下产生的等幅振荡随时间衰减，而衰减速度取决与系统阻尼比，从抑制系统误差方面出发，要求系统具有较大的阻尼比。但是，在回路中加入阻尼环节同时会影响回路的舒拉调谐条件，从而使得系统误差受到载体加速度的影响，系统会产生与载体加速度成正比的误差角。虽然这一误差角只出现在动态过程中，误差会随着阻尼作用在一两个舒拉周期内消失，但是一个舒拉周期长达84.4分钟，对于一般载体在这段时间内的机动是经常性的，由此产生的误差角可能随时间积累，从而严重影响光纤惯导系统的精度。另外，光纤惯导系统是一个临界稳定系统，在常值误差源激励下，系统输出的误差包含舒拉周期、傅科周期、地球自转周期，在随机误差源的激励下，系统误差会缓慢积累，且振荡幅度越来越大，误差的均方值也越来越大，降低了惯导系统的工作精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种设计合理，使得光纤惯导系统不受外界信息量制约，能够自主消除该系统中所固有的误差振荡的内水平阻尼方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术是一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法，其特点是，该方法根据光纤惯导系统原理，建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段，在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使光纤惯导系统具有阻尼特性，抑制光纤惯导姿态、速度、位置输出的舒拉振荡成分。优选地，该方法包括如下具体步骤，(1)建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型(2)截止频率设计根据二阶系统谐振峰值与阻尼比的关系有：根据高阶系统频域和时域指标的关系，可以得到系统期望的截止频率ωc(3)系统带宽确定为了使系统在同样带宽条件下具有更好的稳定裕度，临界稳定系统经过校正后中频段应具有以下形式的传递函数式(5)中：ω2为截止频率前的转折频率，使系统幅频特性增加20dB/dec斜率；ω3为截止频率后的转折频率，合理选择ω3可以确定系统带宽；为系统的舒拉角频率；式(5)中传递函数的相角γ(ω)为式(6)中产生系统最大相角的角频率ωmax为因此：或根据带宽定义，中频带宽H＝ω3/ω2，式(8)可得：(4)衔接频段设计在确定了系统的截止频率和带宽后，在高频处设计转折频率ω4，通过上述频段的环节设计，根据对数频率特性各转折频率，得到满足该对数频率特性的校正网络的传递函数形式为(5)内阻尼实现方法在光纤惯导系统导航算法中加入阻尼校正网络，使系统具有阻尼特性，抑制周期性振荡误差；速度方程：其中，分别为加速度计和陀螺仪的测量输出值；fn为导航系中比力信息；Vn、分别表示导航系中速度和速度微分值；表示阻尼后系统速度输出值；表示载体坐标系到导航坐标系之间的转换矩阵；为导航系相对惯性坐标系转动角速度；为地球自转角速度；为导航系相对地心地球坐标系转动角速度；在速度输出处加入内水平阻尼网络，内水平阻尼后的速度为位置方程：姿态方程：其中，表示载体坐标系b系相对导航坐标系n系转动角速度构成的反对称矩阵，L、λ分别表示载体的纬度和经度；分别表示载体阻尼后的东向速度和北向速度，RE、RN分别为地球子午和卯酉曲率半径；选取式(10)作为内水平阻尼网络参数式(13)由s域变换为z域：由式(14)可知：式(15)整理得：式(16)中符号下标(-1)、(-2)分别表示前一拍数据和前二拍数据，通过数值离散化后，将阻尼误差补偿嵌入导航算法。优选地，在步骤(3)所述的系统带宽确定中，将式(9)中的相角余度设计为γ＝60°，可得H＝13.9282。优选地，在步骤(3)所述的系统带宽确定中，选择校正环节的最大相角余度角频率接近系统的截止频率，即由ω2ω3＝ωm2＝0.00282，ω3/ω2＝13.9282，可得到两交接频率为ω2＝0.00075025rad/s，ω3＝0.0104rad/s。优选地，在步骤(4)所述的衔接频段设计中，在该处加入一阶微分环节提供20dB/dec斜率，从而完成校正阻尼网络的设计。优选地，在步骤(4)所述的衔接频段设计中，转折频率ω4＝H×ω3＝0.1449。优选地，步骤(1)中建立北向通道系统的水平阻尼网络，具体过程为，根据单通道北向阻尼回路，得到系统未加入阻尼环节H(s)的开环传递函数为：式(1)中为系统的舒拉角频率；加入阻尼网络H(s)后，可以得到载体加速度与姿态角的关系为优选地，所述导航坐标系采用东北天坐标系。优选地，所述误差源考虑陀螺仪常值零偏、加速度计常值零偏。优选地，式(1)中所述光纤惯导系统的阻尼比为0.3-0.8。与现有技术相比，本专利技术通过建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段设计等；在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使惯导系统具有阻尼特性，光纤惯导姿态、速度、位置输出的舒拉振荡成分得到明显的抑制，提高了捷联惯导系统精度。其优点还在于不受外界信息量制约，能够自主消除捷联惯导系统中所固有的误差振荡，该方法实现简单方便，计算量小，更加利于工程应用，可以为提高光纤惯导系统精度提供有益的参考。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术中所述单通道北向阻尼回路图；图2为本专利技术中无阻尼惯导系统的Bode图；图3为本专利技术中阻尼惯导系统的Bode图；图4为内水平阻尼原理框图；图5为航行5小时有无阻尼的误差对比；图6为航行24小时有无阻尼的误差对比。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法，其特征在于：该方法根据光纤惯导系统原理，建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段，在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使光纤惯导系统具有阻尼特性，抑制光纤惯导姿态、速度、位置输出的舒拉振荡成分。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法，其特征在于：该方法根据光纤惯导系统原理，建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型，确定二阶系统截止频率、系统带宽、衔接频率段，在光纤惯导系统导航算法中加入水平阻尼校正网络，使光纤惯导系统具有阻尼特性，抑制光纤惯导姿态、速度、位置输出的舒拉振荡成分。


2.根据权利要求1所述的应用于光纤惯导系统的内水平阻尼方法，其特征在于：该方法包括如下具体步骤，
(1)建立光纤惯导水平阻尼网络控制模型
(2)截止频率设计
根据二阶系统谐振峰值Mr与阻尼比的关系有：



根据高阶系统频域和时域指标的关系，可以得到系统期望的截止频率ωc



(3)系统带宽确定
为了使系统在同样带宽条件下具有更好的稳定裕度，临界稳定系统经过校正后中频段应具有以下形式的传递函数



式(5)中：ω2为截止频率前的转折频率；ω3为截止频率后的转折频率，合理选择ω3可以确定系统带宽；为系统的舒拉角频率；
式(5)中传递函数的相角γ(ω)为



式(6)中产生系统最大相角的角频率ωmax为



因此：



根据带宽定义，中频带宽H＝ω3/ω2，式(8)可得：



(4)衔接频段设计
在确定了系统的截止频率和带宽后，在高频处设计转折频率ω4，通过上述频段的环节设计，根据对数频率特性各转折频率，得到满足该对数频率特性的校正网络的传递函数形式为



(5)内阻尼实现方法
在光纤惯导系统导航算法中加入阻尼校正网络，使系统具有阻尼特性，抑制周期性振荡误差；
速度方程：



其中，分别为加速度计和陀螺仪的测量输出值；fn为导航系中比力信息；Vn、分别表示导航系中速度和速度微分值；表示阻尼后系统速度输出值；表示载体坐标系到导航坐标系之间的转换矩阵；为导航系相对惯性坐标系转动角速度；为地球自转角速度；为导航系相对地心地球坐标系转动角速度；
在速度输出处加入内水平阻尼网络，内水平阻尼后的速度为位置方程：



姿态方程：



其中，表示载体坐标系b系相对导航坐标系n系转动角速度构成的反对称矩阵，L、λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文举，刘生攀，刘杰，刘玉玲，王晓强，
申请(专利权)人：贵州航天控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52