[发明专利]基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统

权利要求书

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^TR^-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。

3.一种惯性导航系统的标定方法，针对权利要求1所述的基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统进行标定，其特征在于，包括出厂前标定和出厂后导航过程中的动态在线标定：

1)出厂前标定

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；

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：

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平面的夹角为β_i′，因此：

h_i′＝[cos(α_i′)cos(β_i′)]·i+[sin(α_i′)cos(β_i′)]·j+[sin(β_i′)]·k

其中，δα_i为方位角误差，δβ_i为高度角误差，i、j、k表示三个正交矢量方向，将α_i′＝α_i-δα_i及β_i′＝β_i+δβ_i代入上式，忽略二阶小量(δα_i·δβ_i)，并将sin(δα_i)、sin(δβ_i)线性化为δα_i、δβ_i，cos(δα_i)、cos(δβ_i)近似为1，可得：

h_i′＝h_i+δα_i·p_i+δβ_i·q_i

其中，p_i与q_i为如下所示向量：

2)出厂后动态在线标定方法

所述动态在线标定包括MEMS单轴陀螺零位误差标定和标度误差标定；

针对MEMS单轴陀螺零位误差标定，斜置高精度光纤陀螺的引入，利用静态工况，对一阶马尔可夫建模的随机漂移项进行相关系数的实时标定，充分利用相关系数的一次通电稳定性，保障后续融合性能；

针对MEMS单轴陀螺标度误差标定，在动态过程中，通过与光纤陀螺基准数据进行融合，实时标定陀螺自身的标度误差。