[发明专利]一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，属于旋转式惯导系统姿态补偿技术领域，适用于补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出精度，特别适合对惯导系统短期姿态精度要求较高的应用场合。

背景技术

惯导系统通过正交安装的三轴陀螺仪和加速度计测量载体相对于空间的角速度和加速度，并基于航位推算原理给出载体实时的位置、速度和姿态信息。在惯导系统中，陀螺漂移和加计零偏是影响导航性能的关键因素，无论是平台式惯导还是捷联式惯导，都存在导航误差随时间累积的问题。

旋转式惯导系统通过旋转机构带动IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)绕着某个坐标系按照既定方案旋转，使得惯性组件的常值误差在该坐标系内的投影呈周期振荡形式，而周期振荡误差在一个旋转周期内积分结果为零，因此惯性组件的常值误差对导航结果的影响得到抑制，系统精度得到大幅提升。

单轴旋转惯导系统通过单一旋转轴的正反旋转可以抑制水平两轴的陀螺漂移和加计零偏。目前的文献中已有大量实验结果表明单轴旋转惯导系统可以将位置和速度精度提高约一个数量级，但是实际系统在使用中姿态输出的精度可能并未提高，甚至会变得更差，文献对这方面的研究不多见；而且对于旋转惯导系统的姿态补偿主要是基于对惯性器件与旋转轴以及惯性器件之间的安装偏角的标定，对角度传感器(例如码盘或光栅等)的误差和旋转轴的不规律转动的补偿研究较少。

发明内容

本发明提出一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，可以有效补偿单轴旋转惯导系统中姿态输出中的波动，大幅提高姿态精度。利用z陀螺积分的角度作为基准修正码盘输出的转角，给出了航向角的补偿信息；利用x、y加速度计扣除初始俯仰角、横滚角带来的重力加速度投影后的剩余分量修正旋转轴的不规律转动，给出了俯仰角和横滚角的补偿信息；结合这些补偿信息和具体的补偿算法从而实现了对单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿。

本发明的解决技术方案：一种单轴旋转惯导系统的姿态输出补偿方法，步骤如下：

步骤(1)：在z陀螺输出的角速度中扣除地球自转角速度分量和陀螺漂移，经积分后得到角度；

步骤(2)：将z陀螺积分角度与码盘输出的转角作差，对该差值进行拟合可构造航向角的补偿量；

步骤(3)：利用x、y加速度计的输出和初始对准得到的俯仰角、横滚角，扣除重力加速度投影，进而构造俯仰角和横滚角的补偿量；

步骤(4)：根据姿态输出补偿算法补偿单轴旋转惯导系统的姿态输出。

进一步的，步骤(1)中z陀螺输出的角速度可由公式(1)给出：

式中，ω为单轴旋转惯导系统的旋转角速度，ω_P为正转时z陀螺输出的角速度，ω_N为反转时z陀螺输出的角速度，ω_ie为地球自转角速度，L为当地地理纬度，ε_z为z陀螺漂移。

将公式(1)中ω_P与ω_N相加除2，可得到z陀螺输出中需要扣除的地球自转角速度分量和陀螺漂移之和由公式(2)给出：

在z陀螺输出中扣除并积分，可得正转和反转时z陀螺积分角度与

将与合在一起即得到z陀螺积分的角度。

进一步的，步骤(2)中将z陀螺积分的角度与码盘输出的转角作差，对差值按公式(4)进行拟合：

根据拟合参数a、b、c可修正码盘输出的转角，作为航向角的补偿信息。

进一步的，步骤(3)中根据初始对准得到的俯仰角和横滚角，按公式(5)扣除x、y加速度计上的重力加速度投影：

式中，a_x、a_y为x、y加速度计的输出，g为当地重力加速度，θ₀、γ₀为初始对准得到的俯仰角和横滚角，a′_x、a′_y为扣除重力加速度投影后的剩余分量，进而通过公式(6)构造俯仰角和横滚角的补偿量：

式中，δθ为俯仰角补偿信息，δγ为横滚角补偿信息。

进一步的，步骤(4)中的姿态输出补偿算法具体过程为：

根据陀螺的输出和上一解算周期的姿态矩阵按公式(7)和公式(8)计算