[发明专利]一种挠性陀螺位置姿态测量系统POS的标度因数误差标定与补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种挠性陀螺位置姿态测量系统(Position and Orientation System,POS)的标度因数误差标定与补偿方法，可用于精确补偿挠性陀螺POS角速度通道中的标度因数误差，属于航空遥感直接地理测量技术领域。

背景技术

POS是一种精确测量位置、速度和姿态的惯性/卫星组合测量系统，它与航空遥感载荷紧密固连，为载荷数据处理提供高精度的运动补偿信息。

挠性陀螺由于体积、重量、精度、技术成熟度和可靠性等多方面的优势，适于构建小型化的POS系统，应用于轻小型航空遥感。基于挠性陀螺的POS主要由挠性陀螺惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、POS计算机系统(POS Computer System,PCS)、全球卫星定位系统(Global Position System,GPS)接收机及后处理软件组成。其中挠性陀螺IMU主要由挠性陀螺仪组件、石英挠性加速度计及相关电路组成。IMU是POS的核心部件，其精度直接决定了系统的测量精度，因此必须通过标定试验确定IMU各项误差系数，并在数据处理时进行补偿。

大量实验表明，挠性陀螺IMU的各项误差系数并不是固定不变的，尤其是角速度通道的标度因数，随着飞机机动等导致的外部力学环境变化，会随之发生明显变化，产生不可忽略的标度因数误差，直接影响POS的姿态测量精度。POS相较于传统的组合导航系统一个明显的不同之处是，遥感载荷通常与IMU刚性固连，然后共同安装在惯性稳定平台上，平台固定于机舱底板。在遥感作业时，飞机进入测绘区域做直线飞行运动，惯性稳定平台将这期间低频的较剧烈的机体振动隔离掉并保持载荷的姿态水平，而POS用来测量平台隔振后那些仍然干扰到遥感载荷的细微运动信息。因而，若实现POS高精度测量运动信息的要求，应重点关注IMU中陀螺对小角速率范围内角速度信息的实时高精度测量，因此必须标定和补偿IMU标度因数误差。常用的IMU标定方法是多位置混合标定法，该方法将角速度通道的标度因数视为常值进行标定，使用该方法得到的标定系数，会导致补偿后的系统角速度测量误差增大，降低了POS姿态测量精度，影响了POS测量性能。

申请号200510086791.5，发明名称“一种消除陀螺常值漂移影响的惯性测量单元混合标定方法”公开了进行IMU误差的静态多位置和动态混合标定方法，但是该方法直接将标度因数的变化规律视为一条二次曲线，没有根据挠性陀螺的具体特性再进行相应的线性拟合分析，这会导致标度因数变化曲线拟合的不准确而引入额外的拟合误差。

2009年《导航与控制》期刊刊登的王爱华等所撰论文“捷联惯性测量系统中陀螺仪线性度分段补偿方法研究”，重点关注了陀螺标度因数误差分段补偿方法，根据标度因数变化将整个IMU速率测量范围分为多个近似线性段，且每个线性段进行一次拟合解算出标度因数。该方法没有实现对挠性陀螺在小速率范围内的标度因数“双曲线”变化规律进行细致分析，仍然会有较大的量化误差，导致挠性陀螺标度因数误差补偿效果有限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有挠性陀螺IMU误差标定与补偿方法的不足，根据误差变化规律提出一种标度因数误差标定与补偿方法，实现角速度通道标度因数误差的精确标定与补偿，提高POS的姿态测量精度。

本发明的技术解决方案为：一种挠性陀螺位置姿态测量系统POS的标度因数误差标定与补偿方法，其特点在于包括下列步骤：

（1）调平转台，将IMU安装于基准面或通过工装架与转台固定，建立基准传递关系。使POS处于恒温环境中，上电完成预热后开始数据采集。

（2）进行位置测试。通过调整转台依次使IMU的i轴（i＝X、Y、Z）作为测试轴垂直于当地水平面指天、指地。在6个测试状态下，确定位置测试的数据采集方案。

（3）将X轴作为测试轴分别指天、指地，得到相应的位置测试数据。

（4）将Y轴作为测试轴分别指天、指地，得到相应的位置测试数据。

（5）将Z轴作为测试轴分别指天、指地，得到相应的位置测试数据。

（6）进行速率测试。将IMU的X轴指天，转台以一组确定的角速率测试档分别正、负旋转一周，得到相应的速率测试数据。

（7）将IMU的Y轴指天，转台以一组确定的角速率测试档分别正、负旋转一周，得到相应的速率测试数据。

（8）将IMU的Z轴指天，转台以一组确定的角速率测试档分别正、负旋转一周，得到相应的速率测试数据。