一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法，步骤为：S1、构建IMU坐标系和地理坐标系，并基于两个坐标系构建地球物理场相关陀螺零偏模型，进而构建旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏模型；S2、构建时域下的地球物理场相关陀螺零偏导致的双轴旋转惯导长航时导航位置误差模型；S3、设计标定方案以标定地球物理场相关陀螺零偏，进而完成误差补偿；该方法能够准确地补偿地球物理场相关陀螺零偏，提高双轴旋转惯导的长航时导航精度；利用本发明专利技术的方法对双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏进行标定与补偿，双轴旋转惯导静止状态下的经度精度提高68.52％，动态状态下的经度精度提高52％。动态状态下的经度精度提高52％。动态状态下的经度精度提高52％。

【技术实现步骤摘要】
一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法


[0001]本专利技术涉及双轴旋转惯导误差补偿
，特别涉及一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法。

技术介绍

[0002]双轴旋转惯导由惯性测量单元(Initial Measurement Unit，简称为IMU)和转位机构组成，工作原理为：将IMU安装在转位机构上，通过IMU的对称转位将惯性器件的常值误差调制成均值为零的周期变化量，实现在现有的惯性器件精度水平上大幅度提高双轴旋转惯导长航时导航精度的目的。因此，双轴旋转惯导被广泛地应用在以远洋船舶为代表的需要高精度长航时导航信息的应用场合中。
[0003]目前，双轴旋转惯导中惯性器件的常值误差补偿技术较为成熟，例如，授权专利技术专利CN109459063B提供了一种双轴旋转惯导的十六位置误差调制方法，该方法能较好地调制系统的常值误差源从而减小长航时导航误差；专利技术专利CN113465631A公开了一种基于对角线旋转的双轴旋转惯导误差调制方法，该方法能够补偿三个轴向的常值误差。
[0004]然而，现有的针对双轴旋转惯导常值误差的补偿技术无法通过旋转调制补偿非常值误差。其中，地球物理场相关陀螺零偏是双轴旋转惯导非常值误差中最主要的误差源。地球物理场相关陀螺零偏包括地磁场相关陀螺零偏和重力场相关陀螺零偏，地磁场相关陀螺零偏和重力场相关陀螺零偏分别是地球磁场和重力场导致的陀螺零偏误差。由于地球磁场和重力场的方向均固定，因此，双轴旋转惯导中每个陀螺的地球物理场相关陀螺零偏随着转位机构的旋转而不断变化，是非常值误差，无法通过现有的旋转调制技术进行补偿，严重影响了双轴旋转惯导的长航时导航精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种解决目前现有的双轴旋转惯导的误差补偿方法存在着的无法通过旋转调制补偿地球物理场相关陀螺零偏的问题的双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法。
[0006]为此，本专利技术技术方案如下：
[0007]一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法，步骤如下：
[0008]S1、构建IMU坐标系，即m系，构建地理坐标系，即n系；基于两个坐标系，构建地球物理场相关陀螺零偏模型，进而构建旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏模型；其中，
[0009]地球物理场相关陀螺零偏模型为：
[0010][0011]式中，为在m系中地球物理场相关陀螺零偏向量，为在m系中地磁场相关陀螺零偏向量，为在m系中重力场相关陀螺零偏向量；
[0012]旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏模型由三个分量均为非零常数的
三维向量构成，其表达式为：
[0013][0014]式中，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在X
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Y
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Z
n
轴的分量；和均为非零常数；
[0015]S2、构建时域下的地球物理场相关陀螺零偏导致的双轴旋转惯导长航时导航位置误差模型，其表达式为：
[0016][0017][0018]式中，δL(t)、δλ(t)分别为导航时间为t时双轴旋转惯导的纬度误差和经度误差；L(t)、λ(t)分别为导航时间为t时双轴旋转惯导输出的纬度和经度；ω
ie
为地球自转角速率；为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Y
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Z
n
轴的分量；
[0019]S3、设计标定方案，以标定地球物理场相关陀螺零偏，进而完成误差补偿；其中，
[0020]S301、标定方案为：1)将双轴旋转惯导静止放置在纬度L0、经度λ0的实验室内，并将纬度L0和经度λ0装订到双轴旋转惯导中；2)待双轴旋转惯导对准后，在导航过程中实施现有的十六位置旋转调制方法用以消除所有的常值误差；3)采集导航时间t和t时刻对应的双轴旋转惯导输出的经度导航结果λ(t)，并计算得到t时刻对应的双轴旋转惯导的经度误差δλ(t)＝λ(t)
‑
λ0；
[0021]S302、标定结果处理：
[0022]1)计算t时刻对应的双轴旋转惯导的经度误差δλ(t)＝λ(t)
‑
λ0；
[0023]2)根据公式：计算得到k；
[0024]3)通过和联立，求得标定参数：和
[0025]4)将标定参数代入公式：以及获得实时的纬度误差δL(t)和经度误差δλ(t)；进而通过在双轴旋转惯导输出的实时纬度L(t)中减去δL(t)，得到补偿后的纬度；同理，双轴旋转惯导输出的实时经度λ(t)中减去δλ(t)，得到补偿后的经度。
[0026]进一步地，在步骤S1中，
[0027]在m系中地磁场相关陀螺零偏向量的表达式为：
[0028][0029]式中，M为陀螺地磁场感应系数矩阵，其表达式为：M
xx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
xy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
xz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量；H
n
为在n系中地磁场强度向量，其表达式为：H
n
＝[0 H
G 0]T
，H
G
为地磁场强度大小；为IMU在转位机构旋转下的姿态矩阵；
[0030]在m系中重力场相关陀螺零偏向量的表达式为：
[0031][0032]式中，G为陀螺重力场感应系数矩阵，G
xx
为X
m
轴上的重力加速度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，G
xy
为Y
m
轴上的重力加速度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，G
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法，其特征在于，步骤如下：S1、构建IMU坐标系，即m系；构建地理坐标系，即n系；基于两个坐标系，构建地球物理场相关陀螺零偏模型，进而构建旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏模型；其中，地球物理场相关陀螺零偏模型为：式中，为在m系中地球物理场相关陀螺零偏向量，为在m系中地磁场相关陀螺零偏向量，为在m系中重力场相关陀螺零偏向量；旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏模型由三个分量均为非零常数的三维向量构成，其表达式为：式中，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在X
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Y
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Z
n
轴的分量；和均为非零常数；S2、构建时域下的地球物理场相关陀螺零偏导致的双轴旋转惯导长航时导航位置误差模型，其表达式为：模型，其表达式为：式中，δL(t)、δλ(t)分别为导航时间为t时双轴旋转惯导的纬度误差和经度误差；L(t)、λ(t)分别为导航时间为t时双轴旋转惯导输出的纬度和经度；ω
ie
为地球自转角速率；为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Y
n
轴的分量，为旋转调制后的平均地球物理场相关陀螺零偏在Z
n
轴的分量；S3、设计标定方案，以标定地球物理场相关陀螺零偏，进而完成误差补偿；其中，S301、标定方案为：1)将双轴旋转惯导静止放置在纬度L0、经度λ0的实验室内并将纬度L0和经度λ0装订到双轴旋转惯导中；2)待双轴旋转惯导对准后，在导航过程中实施现有的十六位置旋转调制方法用以消除所有的常值误差；3)采集导航时间t和t时刻对应的双轴旋转惯导输出的经度导航结果λ(t)，并计算得到t时刻对应的双轴旋转惯导的经度误差δλ(t)＝λ(t)
‑
λ0；S302、标定结果处理：1)计算t时刻对应的双轴旋转惯导的经度误差δλ(t)＝λ(t)
‑
λ0；2)根据公式：计算得到k；3)通过和联立，求得标定参数：和
4)将标定参数代入公式：以及获得实时的纬度误差δL(t)和经度误差δλ(t)；进而通过在双轴旋转惯导输出的实时纬度L(t)中减去δL(t)，得到补偿后的纬度；同理，双轴旋转惯导输出的实时经度λ(t)中减去δλ(t)，得到补偿后的经度。2.根据权利要求1所述的双轴旋转惯导地球物理场相关陀螺零偏的补偿方法，其特征在于，在步骤S1中，在m系中地磁场相关陀螺零偏向量的表达式为：式中，M为陀螺地磁场感应系数矩阵，其表达式为：M
xx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
xy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
xz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的X
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
yz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的Y
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zx
为X
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zy
为Y
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量，M
zz
为Z
m
轴上的地磁场强度分量导致的Z
m
轴上的陀螺零偏分量；H
n
为在n系中地磁场强度向量，其表达式为：H
n
＝[0 H
G 0]
T
，H
G
...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂勇强，蔡庆中，杨功流，李晶，尹洪亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：