基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统，包括轴向平行安装的MEMS阵列和空间斜置安装的光纤陀螺，所述MEMS阵列沿X、Y、Z轴向正交配置，每个轴向均包含多个MEMS加速度计和多个MEMS单轴陀螺，所述光纤陀螺实现对所述MEMS单轴陀螺测量误差的在线标定；同时公开了该惯性导航系统的信息融合与标定方法，其中信息融合方法包含MEMS阵列器件融合技术、MEMS陀螺与光纤陀螺融合方法。该系统能够最大程度发挥MEMS阵列中各个分传感器的性能，摆脱传统MEMS惯性器件工艺瓶颈，实现其在精确制导武器装备中的应用，推动批量装备的微小型化、低成本、智能化发展，满足未来作战需求。满足未来作战需求。满足未来作战需求。

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统


[0001]本专利技术属于惯性
，特别涉及一种基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统。

技术介绍

[0002]惯性技术是制约导弹武器快速反应的瓶颈，也是各军事强国高度敏感的核心技术，以惯性导航系统INS为主的自主导航，已然成为智能军事装备导航控制的核心。传统的惯导系统分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统，具有高功耗、体积大、重量大、结构复杂、成本高等特点，已经无法满足未来智能军事装备小型化的发展需求，低成本、低功耗、小型化导航定位授时系统是军事装备智能化发展的必然趋势。
[0003]MEMS惯性器件凭借小体积、低成本等优点，正在逐步应用于智能军事装备领域中。但是MEMS惯性器件特别是MEMS陀螺存在精度差、环境适应性差的问题，无法单独依靠 MEMS惯性导航系统完成长时间高精度自主导航任务，制约其在火箭军导弹装备领域应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统，采用多组低精度惯性器件+ 单轴斜置光纤陀螺阵列式配置，以导航性能和可靠性最优为准则，构建了阵列MEMS器件平行安装+单轴光纤陀螺斜置配置方式；在空间配置确定后，搭建MEMS阵列式导航系统信息处理体系，完成多传感器器件级信息融合和系统级导航误差校正；引入斜置光纤陀螺，为阵列式导航系统中的MEMS陀螺提供额外的角速度基准，通过在线标定技术，实时对各传感器误差及相关系数进行修正，规避MEMS器件逐次重复性差的问题；可对MEMS阵列内的子传感器工作状态进行实时监测，并在出现故障时及时进行故障隔离和处理，提高惯导系统可靠性和稳定性；该系统最大程度地发挥MEMS阵列中各个分传感器的性能，提高 MEMS使用精度和环境适应性，极大降低惯性导航系统的成本、体积、重量。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统，包括轴向平行安装的MEMS阵列和斜置安装的光纤陀螺，所述MEMS阵列沿X、Y、Z轴向正交配置，每个轴向均包含多个MEMS 加速度计和多个MEMS单轴陀螺，所述MEMS加速度计用于测量加速度，所述MEMS单轴陀螺用于测量角速度；所述光纤陀螺为空间斜置，实现对X、Y、Z轴向角速度测量误差的在线标定。
[0007]一种惯性导航系统的信息融合方法，采用上述基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统进行信息融合，其特征在于，包含同一轴向MEMS阵列器件之间的信息融合以及三个轴向 MEMS陀螺与单轴光纤陀螺之间的信息融合：
[0008]1)同一轴向MEMS阵列器件之间的信息融合
[0009]MEMS单轴陀螺输出y(t)均包含真实角速度ω(t)、白噪声n(t)和随机漂移b(t)，其中随机漂移建模为一阶马尔可夫过程则MEMS单轴陀螺输出模型为：
[0010][0011]对于阵列式导航系统，假设同一轴向上有n只MEMS单轴陀螺实现角速度的测量，依据所述MEMS单轴陀螺输出模型可知，所述角速度测量值中不仅包含真实的角速度，还存在相关的随机漂移和测量白噪声；通过多个测量值之间的融合，实现对随机漂移和真实角速度的建模估计；选取真实角速度ω(t)和随机漂移b(t)作为状态量，则状态变量X(t)可表示为：
[0012]X(t)＝[b ω]T
,b＝[b
1 ... b
n
]T
[0013]其中，矩阵右上角T表示矩阵转置，n是指MEMS单轴陀螺的数量；
[0014]采用线性卡尔曼滤波模型，协方差矩阵微分方程如下：
[0015][0016]K(t)＝P(t)H
T
R
‑1[0017][0018]其中，表示协方差矩阵的微分，表示矩阵X(t)的估计值，求解所述协方差矩阵的黎卡蒂微分方程，得到方差阵的稳态值；考虑到系统是随机可观和稳定的，通过固定增益和协方差实现收敛，实现对测量数据的最优融合；其中Z(t)为量测信息，H是量测矩阵，K(t) 为增益，R为量测噪声，R
‑1为矩阵R的逆矩阵，p(t)为状态滤波协方差，为其微分， q
ω
为滤波误差；
[0019]2)三个轴向MEMS单轴陀螺与光纤陀螺之间的信息融合
[0020]首先给出基于MEMS阵列的新型惯性导航系统的测量模型，假设b系下x轴、y轴和z 轴的理论角速率为：ω＝[ω
x ω
y ω
z
]T
，x轴、y轴和z轴向配置的MEMS单轴陀螺和斜置轴光纤陀螺的测量值为：M＝[M
xi M
yi M
zi M
fi
]T
，i＝1,2,3...，则测量值与x轴、y轴和z轴的理论值之间满足下列关系
[0021]M＝Hω+ξ
[0022]其中，H为量测矩阵；ξ为残余噪声，一般假设ξ为高斯白噪声，统计特性满足：E[ξ]＝0， E[ξξ
T
]＝σ2I；其中I为单位矩阵，σ为均方差,E[ξ]为ξ的期望；
[0023]真实角速度合成矢量Ηω与实际测量值M的差值ΔM，
[0024]ΔM＝ωM
‑
M
[0025]考虑到阵列式导航系统中的MEMS单轴陀螺和光纤陀螺的性能差异，进行角速度融合时，需要进行加权融合，给出引入权值矩阵S的目标函数Q，如下所示，
[0026][0027]针对上述目标函数，可求得融合后角速度输出如下，
[0028][0029]其中，右上角T表示矩阵的转置，
‑
1表示矩阵的逆；
[0030]利用各测量轴的统计方差构成权值矩阵S，如下所示，
[0031][0032]其中，σ
xi
、σ
yi
、σ
zi
、σ
fi
分别为在第i个统计步长内，各测量轴上的MEMS陀螺和FOG 的方差。
[0033]一种惯性导航系统的标定方法，针对上述基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统进行标定，包括出厂前标定和出厂后导航过程中的动态在线标定：
[0034]1)出厂前标定
[0035]误差包括零偏相关误差、标度因数误差和安装误差，所述零偏相关误差和所述标度因数误差标定采用多位置法和速率法进行标定；
[0036]所述安装误差包括MEMS器件安装误差和斜置光纤陀螺安装误差，所述MEMS器件安装误差采用投影关系及性能标定，所述斜置光纤陀螺安装误差采用如下方式标定：
[0037]假设所述斜置光纤陀螺敏感轴方向矢量h
i
'与理想轴h
i
具有小角度误差δα
i
和δβ
i
，光纤陀螺敏感轴方向矢量h
i
'在X
b
‑
Y
b
平面上的投影向量与X
b
轴的夹角为α
i
'，与X
b
‑
Y
b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统，其特征在于，包括轴向平行安装的MEMS阵列和斜置安装的光纤陀螺，所述MEMS阵列沿X、Y、Z轴向正交配置，每个轴向均包含多个MEMS加速度计和多个MEMS单轴陀螺，所述MEMS加速度计用于测量加速度，所述MEMS单轴陀螺用于测量角速度；所述光纤陀螺为空间斜置，实现对X、Y、Z轴向角速度测量误差的在线标定。2.一种惯性导航系统的信息融合方法，采用权利要求1所述的基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统进行信息融合，其特征在于，包含同一轴向MEMS阵列器件之间的信息融合以及三个轴向MEMS陀螺与单轴光纤陀螺之间的信息融合：1)同一轴向MEMS阵列器件之间的信息融合MEMS单轴陀螺输出y(t)均包含真实角速度ω(t)、白噪声n(t)和随机漂移b(t)，其中随机漂移建模为一阶马尔可夫过程则MEMS单轴陀螺输出模型为：对于阵列式导航系统，假设同一轴向上有n只MEMS单轴陀螺实现角速度的测量，依据所述MEMS单轴陀螺输出模型可知，所述角速度测量值中不仅包含真实的角速度，还存在相关的随机漂移和测量白噪声；通过多个测量值之间的融合，实现对随机漂移和真实角速度的建模估计；选取真实角速度ω(t)和随机漂移b(t)作为状态量，则状态变量X(t)可表示为：X(t)＝[b ω]
T
，b＝[b1...b
n
]
T
其中，矩阵右上角T表示矩阵转置，n是指MEMS单轴陀螺的数量；采用线性卡尔曼滤波模型，协方差矩阵微分方程如下：K(t)＝P(t)H
T
R
‑1其中，表示协方差矩阵的微分，表示矩阵X(t)的估计值，求解所述协方差矩阵的黎卡蒂微分方程，得到方差阵的稳态值；考虑到系统是随机可观和稳定的，通过固定增益和协方差实现收敛，实现对测量数据的最优融合；其中Z(t)为量测信息，H是量测矩阵，K(t)为增益，R为量测噪声，R
‑1为矩阵R的逆矩阵，p(t)为状态滤波协方差，为其微分，q
ω
为滤波误差；2)三个轴向MEMS单轴陀螺与光纤陀螺之间的信息融合首先给出基于MEMS阵列的新型惯性导航系统的测量模型，假设b系下x轴、y轴和z轴的理论角速率为：ω＝[ω
x ω
y ω
z
]
T
，x轴、y轴和z轴向配置的MEMS单轴陀螺和斜置轴光纤陀螺的测量值为：M＝[M
xi M
yi M
zi M
fi
]
T
，i＝1，2，3...，则测量值与x轴、y轴和z轴的理论值之间满足下列关系M＝Hω+ξ其中，H为量测矩阵；ξ为残余噪声，一般假设ξ为高斯白噪声，统计特性满足：E[ξ]＝0，E[ξξ
T
]＝σ2I；其中I为单位矩阵，σ为均方差，E[ξ]为ξ的期望；真实角速度合成矢量Hω与实际测量值M的差值ΔM，ΔM＝ωM
‑
M
考虑到阵列式导航系统中的MEMS单轴陀螺和光纤陀螺的性能差异，进行角速度融合时，需要进行加权融合，给出引入权值矩阵S的目标函数Q，如下所示，针对上述目标函数，可求得融合后角速度输出如下，其中，右上角T表示矩阵的转置，
‑
1表示矩阵的逆；利用各测量轴的统计方差构成权值矩阵S，如下所示，其中，σ
xi
、σ
yi
、σ
zi
、σ
fi
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炳琪，杨艳强，王继平，魏诗卉，王妍，张强，杨春伟，苏国华，侯兴科，牟明岳，孙婧，
申请(专利权)人：中国人民解放军九六九零一部队二四分队，
类型：发明
国别省市：