[发明专利]基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，尤其涉及的是一种基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法。

(二)背景技术

微电子机械系统(MEMS)自二十世纪五十年代中期提出以来，经历多年的持续发展。由MEMS器件构成的惯性导航系统以其具有低成本的特性，而且具有较大器件偏差的弊端，被广泛应用于短时间工作的环境中。根据惯导系统的基本原理，在导航过程中惯性器件常值偏差的存在是导致惯导系统姿态精度难以提高的主要因素。如何有效限制惯性导航误差发散、提高惯性导航系统姿态测量精度是惯性导航领域中的一项重要课题。

为了提高MEMS惯导系统的姿态测量精度，一方面可以通过不断提高MEMS器件精度，但是由于受到加工工艺水平的限制，无限制的提高元件精度是很难实现的；另一方面就是采取惯导系统的误差抑制技术，自动消除MEMS器件误差对系统姿态解算精度的影响。完成在现有精度的MEMS元件基础上构成较高精度的姿态测量系统。

MEMS惯导系统的误差抑制，不是依赖于外部辅助对误差状态进行估计，而是研究MEMS惯性导航误差在特定运动条件下的传播规律，并依据此规律限制误差发散，提高MEMS惯导系统姿态精度的方法。基于MEMS正反转动的误差抑制方法是通过绕一个轴转动惯性测量单元(IMU)，对导航误差进行调制达到控制导航误差发散、提高姿态获取精度的目的。因此，如何设计合理的单轴旋转补偿方式提高MEMS惯导系统的姿态信息精度有重要的意义。

(三)发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法。

本发明的技术解决方案为：一种基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法，其特征在于将惯性测量单元绕载体方位轴连续正反转动，利用惯性测量单元连续转动过程中IMU坐标系(s系)与导航坐标系(n系)的相对角位置关系，确定IMU相对导航坐标系的姿态矩阵，通过结合测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置，确定出载体的实时姿态角信息。其具体步骤如下：

(1)利用全球定位系统确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；

(2)MEMS惯性导航系统进行预热后，采集MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的输出数据；

(3)根据MEMS加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以及MEMS陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定IMU坐标系与导航坐标系之间的角度信息，完成系统的初始对准过程，建立MEMS惯导系统的初始捷联矩阵

(4)惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周期的旋转方案：次序1，IMU围绕旋转轴顺时针连续转动360度；次序2，IMU围绕旋转轴逆时针连续转动360度，IMU按照此转动顺序循环进行且IMU转动角速度大于MEMS陀螺仪常值偏差。

(5)将IMU旋转状态下的MEMS陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联矩阵进行更新：

设IMU坐标系相对导航坐标系转动四元数为：

Q＝q₀+q₁i_s+q₂j_s+q₃k_s

其中：i_s、j_s、k_s分别表示IMU坐标系ox_s轴、oy_s轴、oz_s轴上的单位方向向量。

通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正：