[发明专利]一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法

摘要

本发明属于惯性导航技术领域，特别涉及一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法。本发明的方法首先以惯性器件输入轴为基准建立了系统坐标系，其次基于惯性平台工作原理，以惯性平台姿态角为中间量建立系统动力学模型和观测模型，然后通过可观性分析设计惯性平台自标定自对准所需的平台加矩方案，最后选用平台姿态角及平台各项误差系数作为系统状态量，通过降维容积Kalman滤波实现对惯性平台的自主标定与对准。本发明提供的方法能够改变惯性平台现有的标定和对准模式，简化了惯性平台自标定和自对准的过程，消弱了系统标定与对准之间的强耦合作用，为提高惯性平台实际使用精度提供了基础理论和技术支撑。

主权项

1.一种静基座下惯性平台连续翻滚自标定自对准方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立系统坐标系，具体为：根据惯性平台与惯性仪表之间的装配关系，所述惯性仪表包括单自由度三浮陀螺仪Gx、Gy、Gz以及石英加速度计Qx、Qy、Qz，定义如下坐标系：平台坐标系p系：取平台几何中心O为原点，OX_p轴与Qx石英加速度计敏感轴平行，OY_p轴平行于Qx和Qy石英加速度计敏感轴所确定的平面，并与OX_p轴垂直，OZ_p轴与OX_p轴和OY_p轴构成右手坐标系；单自由度陀螺仪坐标gi系，i＝x,y,z：坐标轴分别与该陀螺仪的输入轴I、输出轴O和自转轴S平行；陀螺仪敏感轴坐标sg系：坐标轴与三个单自由度陀螺仪的输入轴方向一致，由于陀螺仪安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；单自由度加速度计坐标ai系，i＝x,y,z：原点O与平台中心重合，坐标系各轴分别与石英加速度计i的输入轴I、摆轴P和输出轴O平行；加速度计敏感轴坐标sa系：原点O与平台中心重合，坐标轴与三个石英加速度计的输入轴方向一致，由于加速度计安装误差角的存在，该坐标系为非正交坐标系；计算平台坐标c系：将计算机所建立的数字平台坐标系定义为计算平台坐标系，由于初始对准误差、安装误差、陀螺仪漂移误差因素，使得该坐标系与p系并不重合，存在小角度偏差；导航坐标n系：选择当地地理系作为导航坐标系，即北天东坐标系；惯性坐标i系：选择导航初始时刻的当地地理系作为惯性坐标系；令平台系p至导航系n的欧拉角分别为γ、β和α，对应的转序为3‑2‑1转序，二者之间的方向余弦矩阵可表示为S2、系统建模，包括：S21、建立惯性仪表误差模型：对Gx陀螺仪，单自由度三浮积分陀螺仪漂移表示为：ε_x＝D_Fx+D_Ixa_gxI+D_Oxa_gxO+D_Sxa_gxS+w_x(公式2)其中D_Fx为陀螺仪零偏，D_Ix、D_Ox和D_Sx为Gx陀螺仪一次项系数，静基座下，有其中gⁿ为重力矢量在导航系下投影，为平台坐标系到Gx陀螺仪坐标系的姿态矩阵；同理可得出Gy、Gz陀螺仪的漂移模型；对Qx加速度计，单自由度石英加速度输出方程可表示为其中k_a0x为加速度计常值零偏，k_a1x和分别为加速度计刻度因子误差系数和刻度因子不对称项系数，υ_x为加速度计测量噪声，a_axI为加速度计I轴方向比力，静基座下，有其中为平台坐标系到Qx加速度计坐标系的姿态阵，同理可得出Qy、Qz加速度计的输出方程；根据陀螺力矩器的线性偏差，其误差模型可表示为：ω_out＝(I₃+△K_G)ω_cmd,其中△k_Gx、△k_Gy和△k_Gz分别表示三个陀螺仪的力矩误差系数；S22、建立惯性仪表安装误差模型：假设惯性器件的安装误差角均满足小角度假设，p系至sa与sg系的姿态矩阵可分别写为其中θ与Δ分别记为加速度计与陀螺仪安装误差角，下标ij，i＝x,y,z，j＝I,O,S,P；表示i方向上的惯性器件沿j轴的安装误差；S23、建立系统模型：令系统状态量为其中θ_A为平台姿态角向量，K_g0为由三个陀螺仪零偏组成的向量，K_g1为由九个陀螺仪一次项组成的向量，△K_G为由三个陀螺力矩误差系数组成的向量，Δg为由六个陀螺仪安装误差角组成的向量，K_a0为由三个加速度计零偏组成的向量，K_a1为由三个加速度计刻度因子误差项组成的向量，θ_a为由三个加速度计安装误差角组成的向量，为由三个加速度计刻度因子不对称项组成的向量；忽略平台各误差系数之间的乘积，所建立的系统模型为：其中：S3、惯性平台连续翻滚加矩：惯性平台连续翻滚加矩方案中平台相对导航系角速度指令设计如下：S31、平台归零，即S32、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转1800s；S33、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S34、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转1800s；S35、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S36、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S37、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S38、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S39、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S310、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S311、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S312、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S313、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S314、台体以0.1°/s相对地理系绕南旋转900s；S315、平台跟踪地理系，相对静止600s，即S316、台体以0.1°/s相对地理系绕东旋转900s；S317、平台跟踪地理系，相对静止600s，即根据上述步骤，获得平台施矩指令角速度ω_cmd：其中为导航系统下地球自转角速度，为计算平台坐标系相对导航坐标系的姿态阵，且满足：表示的反对称矩阵；S4、惯性平台连续翻滚自标定自对准：假设tk‑1时刻系统状态量的统计特性为令系统维数为n，θ_A的维数为3，为P_k‑1的前3×3部分，为P_k‑1的前(n‑3)×(n‑3)部分，单步降维容积Kalman滤波算法可表示为：其中：状态量预测更新方程：观测量预测更新方程，利用与P_k/k‑1计算Sigma点ξ_i,k/k‑1，W_i^m与W_i^c保持不变：χ_i,k/k‑1＝h_k(ξ_i,k/k‑1)+r_k‑1,i＝1,2,…,2n  (公式21)滤波器更新方程：当滤波步数k取到终点时，即可获得状态量X，即θ_A和ξ的估计值，同时实现了系统的初始对准和误差系数的标定。