[发明专利]一种基于速度匹配的动态水平仪误差补偿方法

权利要求书

1.一种基于速度匹配的动态水平仪误差补偿方法，其特征在于：包括惯性测量单元、信号采集电路和导航计算机；

所述惯性测量单元包括1个三轴光纤陀螺仪、3个单轴石英挠性加速度计和4个温度传感器；所述三轴光纤陀螺仪用于获取导航坐标系的角速度信号，3个单轴石英挠性加速度计用于获取载体坐标系独立的三轴加速度信号，4个温度传感器分别用于获取三轴光纤陀螺仪和3个单轴石英挠性加速度计的温度信号；

所述信号采集电路通过FPGA将检测到的角速度信号、三轴加速度信号以及温度信号进行同步采集，然后进行A/D转换并发送给导航计算机；导航计算机收到信号后进行如下处理：

1)标定补偿参数：包括三轴光纤陀螺仪和3个单轴石英挠性加速度计的温度补偿以及零位、标度因数和安装误差补偿；

温度补偿采用三阶多项式模型进行外温补，其中A₀为温度补偿参数，T为温度，k₀、k₁、k₂、k₃为温度补偿系数，误差模型如下：

A₀＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³                       (1)；

零位、标度因数和安装误差补偿采用常规12位置标定编排，误差模型如下：

其中：ω_Gx，ω_Gy，ω_Gz分别为三轴光纤陀螺仪的输出数据；

ω_x，ω_y，ω_z分别为载体三维真实角速度；

ε_x，ε_y，ε_z分别为三轴光纤陀螺仪的三轴零位；

K_x，K_y，K_z分别为三轴光纤陀螺仪的三轴标度因数；

K_xy，K_xz，K_yx，K_yz，K_zx，K_zy分别为安装误差系数；

其中：A_Ax，A_Ay，A_Az分别为3个单轴石英挠性加速度计的三轴输出；

A_x，A_y，A_z分别为载体三维真实线加速度；

分别为3个单轴石英挠性加速度计的三轴零位；

K_ax，K_ay，K_az分别为3个单轴石英挠性加速度计的三轴标度因数；

K_axy，K_axz，K_ayx，K_ayz，K_azx，K_azy分别为安装误差系数；

2)导航解算：获取载体姿态、速度信息，捷联惯导姿态微分方程如下：

其中，矩阵表示载体系相对于导航系的姿态阵，由于陀螺输出的是载体系相对于惯性系的角速度而角速度信息不能直接测量获得，需对微分方程式(4)作如下变换：

其中，表示导航系相对于惯性系的旋转，它包含两部分：地球自转引起的导航系旋转，以及系统在地球表面附近移动因地球表面弯曲引起的导航系旋转，即有其中，

式中，ω_ie为地球自转角速率，L和h分别为地理纬度和高度；

地理坐标系和载体坐标系相对于惯性系都是动坐标系，根据姿态阵微分方程和分别可得相对于惯性系的姿态更新算法：

速度更新计算由比力方程可知，

式中，是加速度计的测量值，gⁿ(t)＝[0 0-g]^T；

3)Kalman滤波：在观测量中对杆臂效应引起的额外速度误差进行计算补偿，最后输出俯仰角和横滚角；

假设载体的运动角速度为w，得到载体敏感到速度为：

v_m＝w×R_o                                      (16)；

式中，R_o为载体坐标系原点的位置矢量；

动态水平仪敏感到的速度为：

v_s＝w×R_p                                     (17)；

式中，R_p为p点相对于惯性坐标系原点的位置矢量；

由公式(16)、(17)得到杆臂速度为：

v_r＝w×R_p-w×R_o＝w×r_p                       (18)；

式中，r_p为p点相对于载体坐标系原点的位置矢量；

因此，在kalman滤波器观测量速度差中需要补偿掉杆臂效应速度项；则速度匹配中速度观测量的计算方法为：

式中：δvⁿ为速度误差观测量在导航坐标系中的投影；根据式(19)可以得到杆臂速度在导航坐标系中的投影为：

此时，利用公式(20)计算滤波器的观测量后，kalman滤波器的速度误差观测量中不再包含有杆臂效应误差。