一种微惯性测量组合现场快速标定方法技术

本发明专利技术涉及微惯性测量组合的标定方法，具体是一种微惯性测量组合现场快速标定方法。解决了现有微惯性测量组合的标定方法操作复杂、费时、以及现场标定缺乏方向和位置基准而简易标定精度低的问题。一种微惯性测量组合现场快速标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：（１）建立标定模型；（２）在待标定固定位置点准确测量当地重力加速度；（３）在待标定固定位置点随机旋转微惯性测量组合；（４）拟合出椭球方程；（５）将拟合出的椭球方程整理为标准椭球方程；（６）计算出微惯性测量组合的加速度计轴向标度因数和零偏；（７）对微惯性测量组合的输出信息进行补偿。本发明专利技术适用于微惯性测量组合的现场标定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微惯性测量组合的标定方法，具体是。
技术介绍
微惯性测量组合是微惯性测量系统的核心组件。使用微惯性测量组合前，必须对 其进行测试标定，以确定其中的惯性器件(加速度计)的零偏、标定因数、以及轴间安装误 差角等参数，以便通过微惯性测量组合的输出信息准确计算出载体坐标系各个轴向的线加 速度和旋转角速度，进而为系统的姿态解算和导航计算提供真实准确的输入信息。相关试 验表明，随着时间推移和环境变化，微惯性测量组合中的惯性器件的轴间安装误差角不会 变化，但是惯性器件的零偏、标定因数会发生变化。其中，惯性器件的零偏变化尤为明显，每 次上电工作时都会有所不同，并且随着时间的推移，零偏变化会不断加剧。众所周知，惯性 器件的零偏变化对导航和定位的误差影响分别按时间的二次和三次方增长。由此可见，在 微惯性测量组合试验室标定的参数如果应用于后期的实际测试中，会产生较大误差，降低 微惯性测量组合的测试精度，而微惯性测量组合，特别是应用于火箭弹、炮弹等常规武器装 备的微惯性测量组合，需要在短期内具有较高的测试精度，急需一种能够在微惯性测量组 合使用前现场快速准确标定的方法。现有的微惯性测量组合的标定方法均需要精密试验设 备提供方向基准和位置基准，离开这些精密实验设备就直接导致微惯性测量组合在实际使 用前很难有条件进行现场准确标定，只能进行现场简易标定。而简易标定往往缺乏方向基 准和位置基准，以加速度计的零偏标定为例，仅仅是寻找两个完全对称的位置就难以做到。 总之，现有的微惯性测量组合的标定方法需要依赖实验室设备，操作复杂、费时且标定精度 低，难以满足微惯性测量系统的应用需求。基于此，有必要专利技术一种操作简单、省时且标定 精度高的微惯性测量组合现场快速标定方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有微惯性测量组合的标定方法操作复杂、费时、以及现场标定 缺乏方向和位置基准而简易标定精度低的问题，提供了一种微惯性测量组合现场快速标定 方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的，该 方法是采用如下步骤实现的(1)建立标定模型；标定模型的具体形式如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中，k^. (i = χ, y, ζ ； j = χ, y, ζ ;i = j)为加速度计轴向标度因数，^ (i = χ, y,z ;j = x,y,z ;i ^ j)为加速度计轴间耦合标度因数；Uitl (i = X，y，Z)为X轴、y轴、Z轴 方向加速度计的零偏； (i = x，y，z ；j = χ,γ,ζ ；i Φ j)的值由微惯性测量组合试验室标 定；(2)在待标定固定位置点准确测量当地重力加速度；(3)在待标定固定位置点随机旋转微惯性测量组合，使其姿态角(微惯性测量组 合所在坐标系的坐标轴与静地坐标系的坐标轴之间的夹角)跨度尽量覆盖微惯性测量组 合所在三维空间范围(即使得微惯性测量组合所在坐标系的坐标轴端点运动形成椭球面 轨迹)，进而得到一系列加速度计输出电压测量值；(4)通过一系列加速度计输出电压测量值拟合出椭球方程；(5)将拟合出的椭球方程整理为标准椭球方程，获得椭球形状矩阵和椭球中心坐 标；(6)通过椭球形状矩阵和椭球中心坐标，计算出微惯性测量组合的加速度计轴向 标度因数和零偏；(7)将计算出的加速度计轴向标度因数和零偏代入标定模型，对微惯性测量组合 的输出信息进行补偿。通常，微惯性测量组合的一般标定模型为Ux ^xx ^yx Kx aX Ux0uy = kxy kyy k^ ay + Uy0(1)3 J K 夂 J W式(1)中Ui(i = Χ,γ,ζ)为微惯性测量组合的X轴、y轴、Z轴方向加速度计的输 出电压测量值；ku(i = χ,γ,ζ ；j = χ,γ,ζ ；i ^ j)为加速度计轴间耦合标度因数；ku(i = x,y,z ； j = χ, y, ζ ;i = j)为加速度计轴向标度因数(i = x, y, ζ)为χ轴、y轴、ζ轴方 向加速度计的输出加速度值；uiC1(i =x, y, ζ)为χ轴、y轴、ζ轴方向加速度计的零偏。考虑到加速度计轴间耦合标度因数ku(i = x, y, ζ ； j = χ, y, ζ ;i ^ j)本身很 小，短期内变化量微乎其微，由此产生的影响很小，因此现场标定时使用最近精确标定结果 近似代替ku(i = χ,γ,ζ ；j = χ,γ,ζ ;i Φ j)(即《的值由微惯性测量组合试验室标定)，现场标定时只对影响较大的加速度计轴向标度因数ku(i = χ,γ,ζ ； j = χ,γ,ζ ;i ^ j)和 零偏uiCI(i =x，y，z)进行标定，因此，所述步骤(1)中的标定模型为近似后的标定模型，近 似后的标定模型具体表示如下AA「 1 κ κ Uzx「^1「jΛΛuy = kxy k^ Uzy α少 + My0(2)-"」i i kzz W k。_由于χ轴、y轴、ζ轴方向加速度计的输出加速度值的矢量和始终为当地重力加速 度，即aTa = (u_u0) ] T (u_u0) ] = G2(3)式(3)中G为当地重力加速度；由式(3)可以得到如下二次标准型方程<formula>formula see original document page 5</formula>由式(4)可知，χ轴、y轴、ζ轴方向加速度计的输出电压测量值满足一个二次椭球 曲面方程，其几何意义是X轴、y轴、Z轴方向加速度计的输出电压测量值的坐标点在测量坐 标系中位于一个由式(4)确定的椭球曲面上。所述步骤(4)中，拟合椭球方程的过程基于椭球约束的最小二乘法理论，拟合过 程依靠计算机完成。所述步骤(5)中，经拟合出的椭球方程整理得出的标准椭球方程如下XTSX - IXT0SX + XT0SXQ = 1(5)式(5)中S为椭球形状矩阵；Xtl为椭球的中心点坐标。式(5)与式(4)比对可以 得出'kkT =S'V 2\ / G(6)uO根据椭球形状矩阵S和椭球的中心坐标Xtl，可以计算出χ轴、y轴、ζ轴方向加速 度计的轴向标度因数ku(i = χ,γ,ζ ;j = x,y,z ;i ^ j)和零偏uiQ (i = x，y，z)。具体计a d eρd d' e'算过程如下设S= d b f ,X,q xS~1= d' b' f，根据式(6)得到方程组,/ cI lr\ Iy /'(如下‘ 2 Λ 2 Λ 2^lx + kyx +^zx = /Q22 2 2 Λ Λ 卜,ZK+K = /β1.2 Λ 2 Λ 2k2zz + kxz + Kyz = ^Ql「《功"| a' d' e' ρuy0 =- d' V f Γ q丄"Z。J l·' /' ^'Jl·.解方程组，计算出微惯性测量组合的加速度计轴向标度因数k。.(i =x, y, ζ ； j = χ, y, ζ ;i ^ j)禾口零偏 ui0(i = χ, y, ζ)如下<formula>formula see original document page 6</formula>将计算出的加速度计轴向标度因数ku(i = χ, y, 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微惯性测量组合现场快速标定方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：（１）建立标定模型；标定模型的具体形式如下：＊＊＊其中，ｋ↓［ｉｊ］（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｉ＝ｊ）为加速度计轴向标度因数，＊↓［ｉｊ］（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｉ≠ｊ）为加速度计轴间耦合标度因数；ｕ↓［ｉ０］（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ）为ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴方向加速度计的零偏；＊↓［ｉｊ］（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ；ｉ≠ｊ）的值由微惯性测量组合试验室标定；（２）在待标定固定位置点准确测量当地重力加速度；（３）在待标定固定位置点随机旋转微惯性测量组合，使其姿态角跨度尽量覆盖微惯性测量组合所在三维空间范围，进而得到一系列加速度计输出电压测量值；（４）通过一系列加速度计输出电压测量值拟合出椭球方程；（５）将拟合出的椭球方程整理为标准椭球方程，获得椭球形状矩阵和椭球中心坐标；（６）通过椭球形状矩阵和椭球中心坐标，计算出微惯性测量组合的加速度计轴向标度因数和零偏；（７）将计算出的加速度计轴向标度因数和零偏代入标定模型，对微惯性测量组合的输出信息进行补偿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，刘俊，张晓明，杨卫，孔祥雷，王博，于希宁，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]