[发明专利]一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法

说明书

本发明公开了一种用于旋转式惯性导航系统的双轴旋转调制方法。该方法结合了单轴连续旋转调制法与双轴转位法的优点，在采用该方法时，惯导不存在纯捷联导航状态，其旋转过程可主要分为IMU绕连续旋转轴的连续旋转和转位轴的转位两个部分。通过连续旋转，惯导可以在更短的时间内将垂直于旋转轴的两个轴向的陀螺漂移调制为零均值，通过转位，可以令沿旋转轴方向的陀螺漂移正负抵消为零均值。实验证明，采用该双轴旋转调制方法后，惯导系统96小时导航定位精度可达到0.0068n mile/h(CEP)。本发明可以满足惯导系统长航时导航精度要求。

技术领域

本发明涉及一种用于旋转式惯导系统的双轴旋转调制方法，主要适用于旋转式惯性导航系统的旋转策略设计，属于惯性导航领域。

背景技术

惯导沿地球极轴方向的等效陀螺漂移会导致经度误差发散，垂直于地球极轴方向的等效漂移会导致纬度误差产生地球周期的余弦振荡，这两个因素严重制约了惯导的长航时导航能力。

旋转调制是一种能有效减小惯导地理系下等效漂移的方式。目前常用的旋转调制方式主要有单轴连续旋转调制法与双轴转位法。单轴连续旋转调制可以将垂直于旋转轴方向上的常值及慢变陀螺漂移和加速度计零偏调制为零均值。但是，单轴旋转调制无法调制旋转轴方向上的陀螺漂移及加速度计零偏。双轴转位法是一种可将三个轴向的漂移和零偏平均为零的有效方式。常见的双轴转位法有八位置双轴转位法及在八位置法基础上变化而来的十六位置、三十二位置和六十四位置转位法。其主要工作过程为转动机构以较大角速度带动IMU转至特定位置，达到陀螺漂移在地理系下的积分正负抵消的效果。但是，当IMU停转时，惯导系统处于纯捷联状态，陀螺漂移与加速度计零偏会导致速度位置误差迅速发散。

本发明是一种结合了单轴连续旋转调制法与双轴多位置转位法两者优点的旋转调制方法。使用本发明时，惯导不存在纯捷联的导航状态，三个轴向的常值陀螺漂移在地理系下积分为零。因此，惯导在地理系下的等效陀螺漂移大小被极大地减小，长航时导航能力被提高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对旋转式惯导系统的长航时使用需求，提出了一种双轴旋转调制方法。在本发明中，惯导不存在纯捷联导航状态，三个轴向的常值陀螺漂移在地理系下积分为零。本发明中，IMU的转位方式可以有多种，本文以一种转位方式为例设计了双轴旋转调制方法的旋转步骤。实验表明，该发明可满足惯导系统的长航时导航精度需求。

本发明的技术解决方案是：一种双轴旋转调制方法，其特征在于，在采用该方法时，惯导不存在纯捷联导航状态，其旋转过程可主要分为IMU绕连续旋转轴的连续旋转和IMU绕转位轴的转位两个部分。旋转式惯导系统需具备两个旋转轴，其中一个轴带动IMU连续旋转，另一个轴负责带动IMU转位。IMU绕连续旋转轴的连续旋转可以将垂直于旋转轴方向上的常值及慢变陀螺漂移和加速度计零偏调制为零均值，IMU绕转位轴的转位可以令沿连续旋转轴向的漂移及垂直于连续旋转轴向的剩余漂移在地理系下周期性正负相消，从而均值为零。

本发明的原理是：

双轴旋转调制方法的目标是令三个敏感轴上的陀螺漂移与加速度计零偏在地理系下的均值为零，涉及到的误差包括陀螺漂移ε_x、ε_y、ε_z，加速度计零偏本文对陀螺相关误差在地理系下的表现形式进行分析(加速度计相关误差同陀螺相似)。

记惯导机体坐标系为b系，三个坐标轴x_b、y_b、z_b分别指向惯导右前上，惯性测量坐标系为s系，是陀螺和加速度计数据输出的正交坐标系，IMU绕连续旋转轴以角速度ω₁旋转，绕转位轴以角速度ω₂旋转。假定连续旋转轴与z_s轴重合，转位轴与y_b轴重合。理想情况下，当IMU绕两个旋转轴的旋转角度均为零时，s系与b系重合，连续旋转轴与机体系Z_b轴重合，转位轴与机体系Y_b轴重合。