[发明专利]捷联惯导系统晃动基座上的系统级标定方法

摘要

本发明公开了一种捷联惯导系统晃动基座上的系统级标定方法，其中，包括：第一步，建立惯导标定补偿模型；第二步，建立惯导标定补偿误差模型；第三步，标定转序编排与数据采集；第四步，进行标定误差解算及修正；标定解算过程包括：a)定义标定地点的东北天坐标系为导航坐标系；b)在翻转过程时间内，进行姿态更新；c)在翻转后的第二个位置的T1时间内进行开环导航姿态、位置、速度解算；d)计算相关矩阵和误差参数；e)采用a)～d)的计算方法，得到第2次至第18次的翻转数据；f)计算标定补偿误差参数；h)迭代计算，得到捷联惯导系统晃动基座上的系统级标定结果。本发明基于最小二乘辨识方法的缺点，无基准条件下，实现惯导在不同初始姿态、不同转序下的高精度标定。

主权项

1.一种捷联惯导系统晃动基座上的系统级标定方法，其特征在于，包括：第一步，建立惯导标定补偿模型，包括：首先定义惯性坐标系为i系，定义惯导坐标系为b系，惯导的三个敏感轴分别为X轴、Y轴和Z轴，且X、Y和Z轴相互垂直正交，惯导有三个陀螺仪分别为X陀螺仪、Y陀螺仪和Z陀螺仪，三个加速度计分别为X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，且X陀螺仪和X加速度计与b系的X轴重合，Y陀螺仪和Y加速度计与b系的Y轴重合，Z陀螺仪和Z加速度计与b系的Z轴重合；惯导在b系的标定补偿模型为：角速度通道：加速度通道：其中，上标b表示相关参数在b系上的投影，为陀螺仪输出的b系相对i系的转动角速度，f^b为加速度计输出的比力，N_g＝[N_gx N_gy N_gz]^T，N_gx为X陀螺仪单位时间内输出的原始脉冲量，N_gy为Y陀螺仪单位时间内输出的原始脉冲量，N_gz为Z陀螺仪单位时间内输出的原始脉冲量，N_a＝[N_ax N_ay N_az]^T，N_ax为X加速度计输出的原始脉冲量、N_ay为Y加速度计输出的原始脉冲量，N_az为Z加速度计输出的原始脉冲量，K_g为角速度通道补偿矩阵，ε＝[ε_x ε_y ε_z]^T，ε_x为X陀螺常值漂移，ε_y为Y陀螺常值漂移，ε_z为Z陀螺常值漂移，K_a为加速度通道补偿矩阵，为X加速度计常值偏置，为Y加速度计常值偏置，为Z加速度计常值偏置；第二步，建立惯导标定补偿误差模型，包括：当惯导标定参数不够准确时，解算的角速度和比力f^b也会有误差，误差模型为：其中，δK_gx为X陀螺的标度因数误差，δK_gy为Y陀螺的标度因数误差，δK_gz为Z陀螺的标度因数误差，E_gxy为X陀螺仪与惯导Y轴的安装误差，E_gxz为X陀螺仪与惯导Z轴的安装误差，E_gyx为Y陀螺仪与惯导X轴的安装误差，E_gyz为Y陀螺仪与惯导Z轴的安装误差，E_gzx为Z陀螺仪与惯导X的安装误差、E_gzy为Z陀螺仪与惯导Y轴的安装误差，为陀螺仪输出角速度误差，为惯导X轴向输入的真实角速度，为惯导Y轴向输入的真实角速度，为惯导Z轴向输入的真实角速度，δε_x为X陀螺仪的残余常值零偏、δε_y为Y陀螺仪的残余常值零偏，δε_z为X陀螺仪的残余常值零偏，δf^b为加速度计输出比力误差，为惯导X轴向输入的真实比力，为惯导Y轴向输入的真实比力，为惯导Z轴向输入的真实比力，δK_ax为X陀螺标度因数误差，δK_ay为Y陀螺的标度因数误差，δK_az为Z陀螺的标度因数误差，E_ayx为Y轴加速度计与惯导X轴的安装误差，E_azx为Z轴加速度计与惯导X的安装误差，E_azy为Z轴加速度计与惯导Y轴的安装误差，为X轴加速度计的残余常值偏置，为Y轴加速度计的残余常值偏置，为Z轴加速度计的残余常值偏置；第三步，标定转序编排与数据采集，包括：惯导的系统级标定方法采用静止‑翻转‑静止的转序编排策略，在第一个位置静止T1时间，然后在T2时间内完成第一次翻转，然后在第二个位置再静止T1时间，然后再在T2时间内完成第二次翻转，以此类推，共翻转18次，在19个位置保持静止；然后将整个标定过程的惯导输出的原始数据采集；第四步，进行标定误差解算及修正，包括：假设惯导系统经过粗略标定，初始标定参数分别为K_g0，ε₀，K_a0，输出的带有误差的角速度和比力分别为即系统级标定采用静止‑翻转‑静止的转动策略，相应的解算过程为，前一静止过程进行初始对准，翻转过程进行姿态更新，后一静止位置进行导航解算求得导航误差及相关参数；标定解算过程包括：a)定义标定地点的东北天坐标系为导航坐标系，用n表示；利用第一个位置T₁时间内输出的和进行初始对准，采用kalman滤波或者罗经对准方法进行初始对准；记在T₁时间时，初始对准得到b系相对n系的姿态矩阵为b)在翻转过程T2时间内，进行姿态更新，b系相对n系的姿态矩阵更新公式如下：其中，记姿态更新后的姿态矩阵为为b系相对n系的转动角速度在b系x轴上的投影，为b系相对n系的转动角速度在b系y轴上的投影，为b系相对n系的转动角速度在b系z轴上的投影，为b系相对n系的转动角速度在b系上的投影；c)在翻转后的第二个位置的T1时间内进行开环导航姿态、位置、速度解算，包括：其中，为惯导开环解算的三维速度，v_E为东向速度，v_N为北向速度，v_U为天向速度，为惯导开环解算的三维位置，p_E为东向位置，p_N为东向位置，p_U为天向位置，g_n＝[0 0 ‑g₀]^T，g₀为当地重力加速度，为已知量，解上述方程得到P₁；d)计算相关矩阵和误差参数，包括：首先定义有关矩阵相关元素的表示方法：假设A为一n行m列的矩阵，则A(i,:)表示矩阵A的第i行元素，A(:,j)表示矩阵A的第j列元素，A(i1:i2,:)表示矩阵A的第i1行到第i2行元素，A(:,j1:j2)矩阵A的第j1列到第j2列元素，A＝[0]i×j表示A为一i行j列的全零矩阵；定义一个3行12列矩阵HI1，且令：定义一个3行9列的矩阵Hg，且令：定义一个3行12列矩阵HI2：定义一个3行12列矩阵HI3，且令：定义一个3行21列矩阵H1，且令，H1(:,1:9)＝[HI3(:,1:4)HI3(:,7:8)HI3(:,10:12)]；H1(3,10:21)＝[0]1×12；再令，Z1＝P1；e)采用a)～d)的计算方法，得到第2次至第18次的翻转数据：H2、Z2····H18、Z18，则得以下矩阵：f)计算标定补偿误差参数，包括：利用下式求得误差参数：X＝(HTH)‑1HTZ；其中，g)标定补偿参数的修正，包括：再利用得到的参数对陀螺和加速度计标定补偿参数进行修正，如下式所示Kg1＝(I3×3‑DKg)Kg0ε1＝ε0+δεKa1＝(I3×3‑DKa)Ka0其中，h)迭代计算，包括：采用迭代的方法，利用K_g1、ε₁、K_a1和对N_g和N_a进行补偿，再对采得的原始数据按照a)～g)计算方法，求得K_g2、ε₂、K_a2和依次循环计算，直到δε＜0.0001°/h时，判定标定已经收敛，标定解算过程结束。