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一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，屬于慣性【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用9次翻轉(zhuǎn)路徑設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)輸出慣性數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘擬合的方法求解得到光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)18項(xiàng)誤差系數(shù)；再通過(guò)一次翻轉(zhuǎn)得到零偏誤差，進(jìn)而得到全部21項(xiàng)器件誤差參數(shù)；本發(fā)明提供的技術(shù)方案利用六面體或其它相似的可翻轉(zhuǎn)裝置即可完成現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的不足，提高了系統(tǒng)實(shí)際使用精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，具體地說(shuō)，是指一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖陀螺具有精度高、啟動(dòng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)及成本低等優(yōu)點(diǎn)，是慣性?xún)x表領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，光纖陀螺技術(shù)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在陸、海、空、天領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)在使用前必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定試驗(yàn)確定出其核心部件即光纖陀螺和加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)和各項(xiàng)誤差系數(shù)，在后續(xù)的導(dǎo)航計(jì)算中進(jìn)行補(bǔ)償。
[0003]但是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)標(biāo)定出的光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)各項(xiàng)誤差系數(shù)并不是固定不變的，包括光纖陀螺零位漂移誤差、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差和加速度計(jì)常值誤差、標(biāo)度困數(shù)、安裝誤差等。這些誤差參數(shù)隨著系統(tǒng)使用或存放時(shí)間的推移而變化，尤其是光纖陀螺零位漂移和加速度計(jì)偏值，每次上電啟動(dòng)都不相同，且時(shí)間間隔越長(zhǎng)變化越大。光纖陀螺和加速度計(jì)誤差參數(shù)的改變直接導(dǎo)致光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度降低，使慣導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法使用要求。
[0004]因此，通常需要對(duì)光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行半年或三個(gè)月一次的定期標(biāo)定，而且傳統(tǒng)的基于精密轉(zhuǎn)臺(tái)的標(biāo)定方法復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，這為使用單位增添了巨大的工作量及人力、物力、財(cái)力的消耗。因此，在使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)光纖慣導(dǎo)的各項(xiàng)誤差系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，不僅可以減少甚至取消定期標(biāo)定，還可以提高光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)的實(shí)際使用精度。但是，在現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有精密的轉(zhuǎn)臺(tái)作為測(cè)試基準(zhǔn)，不能對(duì)充纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行精確定向，所以傳統(tǒng)的基于精密轉(zhuǎn)臺(tái)的靜態(tài)多位置標(biāo)定方法和速率標(biāo)定方法都無(wú)法實(shí)施，為光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定帶來(lái)了極大難度。
[0005]在沒(méi)有精確的基準(zhǔn)設(shè)備和復(fù)雜的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的情況下，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定就不能采用傳統(tǒng)的速率位置法，必須依靠系統(tǒng)級(jí)方法來(lái)克服基準(zhǔn)信息缺乏的困難。系統(tǒng)級(jí)方法以光纖慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差為觀測(cè)量，通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差參數(shù)與導(dǎo)航誤差之間的關(guān)系，建立慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差參數(shù)與導(dǎo)航誤差之間的方程式，進(jìn)而求解出慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差參數(shù)。因此，系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定方法可以克服使用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件不足的缺點(diǎn)，并獲得高精度的系統(tǒng)誤差標(biāo)定接過(guò)。
[0006]參考文獻(xiàn)[I](光電工程，劉百奇，房建成.光纖陀螺IMU的六位置旋轉(zhuǎn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定新方法[J].35(1)，2008:60-65)公開(kāi)了一種光纖陀螺IMU的六位置旋轉(zhuǎn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定新方法，本文采用光纖陀螺MU在六個(gè)位置上進(jìn)行12次旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)光纖陀螺IMU的誤差模型建立42個(gè)非線(xiàn)性輸入輸出方程，通過(guò)旋轉(zhuǎn)積分和對(duì)稱(chēng)位置誤差相消，消除方程中的非線(xiàn)性項(xiàng)，最終求出陀螺標(biāo)度因數(shù)、陀螺常值漂移、陀螺安裝誤差和加速度計(jì)常值偏置等15個(gè)誤差系數(shù)。但是該方法不能夠標(biāo)定出加速度計(jì)通道的標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差。
[0007]參考文獻(xiàn)[2](測(cè)控技術(shù)，顏開(kāi)思，李歲勞，龔柏春，賈繼超.[J].30(5)，2011:106-109)公開(kāi)了一種基于平臺(tái)和正六面體的慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定技術(shù)，該文獻(xiàn)通過(guò)翻轉(zhuǎn)正六面體使對(duì)稱(chēng)位置誤差相消，并且在對(duì)準(zhǔn)中獲取姿態(tài)信息，同時(shí)精確標(biāo)定出陀螺漂移和加速度計(jì)零偏。最后對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該方案可以實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)條件下的陀螺漂移和加速度計(jì)零偏的精確標(biāo)定。但是該方法不能夠標(biāo)定出陀螺、加速度的標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差。
[0008]參考文獻(xiàn)[3](吳賽成，秦石喬，王省書(shū)，胡春生.[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，19 (2) ,2011:185-189)公開(kāi)了一種激光陀螺慣性測(cè)量單元系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定方法，該文獻(xiàn)建立了附加約束條件的陀螺和加速度計(jì)安裝坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，根據(jù)陀螺和加速度計(jì)的輸出誤差方程，從慣性導(dǎo)航基本誤差方程出發(fā)推導(dǎo)了慣性測(cè)量單元的系統(tǒng)級(jí)誤差參數(shù)標(biāo)定Kalman濾波模型，該模型包含了陀螺和加速度計(jì)零偏、比例因子、安裝誤差在內(nèi)共21維標(biāo)定誤差狀態(tài)變量，且僅以速度解算誤差為觀測(cè)量。但是該方法標(biāo)定步驟較多，標(biāo)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
[0009]參考文獻(xiàn)[4](專(zhuān)利文獻(xiàn)號(hào)CN102607594A)公開(kāi)了一種捷聯(lián)慣導(dǎo)光纖陀螺系統(tǒng)誤差參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，所述現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法通過(guò)姿態(tài)測(cè)量?jī)x器給出載體姿態(tài)角，選取姿態(tài)作為觀測(cè)量，標(biāo)定出光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺各項(xiàng)誤差系數(shù)。但是該方法需要現(xiàn)場(chǎng)提供姿態(tài)測(cè)量輔助器件，實(shí)時(shí)精確測(cè)量載體姿態(tài)角，并且要與光纖陀螺輸出值保持一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，減少或者甚至取消光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)周期性地返實(shí)驗(yàn)室校標(biāo)，提高系統(tǒng)實(shí)際使用精度。
[0011]本發(fā)明采用9次翻轉(zhuǎn)路徑設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)順序和轉(zhuǎn)動(dòng)角度等；應(yīng)用最小二乘擬合的方法得到光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)全部21項(xiàng)器件誤差參數(shù)；利用六面體或其它相似的可翻轉(zhuǎn)裝置即可完成現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)。具體方法步驟如下:
[0012]第一步:將光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊。連接系統(tǒng)、電源和采集計(jì)算機(jī)之間的線(xiàn)纜，并檢查正確。
[0013]第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預(yù)熱使光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度。
[0014]第三步:采用“靜止-轉(zhuǎn)動(dòng)-靜止”進(jìn)行手動(dòng)翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，按照轉(zhuǎn)動(dòng)路徑序列完成9次翻轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)前后每個(gè)位置靜止3?5min，并保存9次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)。
[0015]第四步:對(duì)慣性器件誤差進(jìn)行建模。
[0016]第五步:對(duì)9組慣性器件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用最小二乘擬合的方法求解，得到除陀螺零偏以外的其他18項(xiàng)誤差系數(shù)；
[0017]第六步:根據(jù)標(biāo)定得到18項(xiàng)誤差系數(shù)，對(duì)保存的9組慣性器件數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，得到新的9組慣性器件數(shù)據(jù)。
[0018]第七步:對(duì)于第六步中得到的新的9組慣性器件數(shù)據(jù)，重復(fù)第五步和第六步3?5次，即迭代器件18項(xiàng)誤差系數(shù)值進(jìn)行重復(fù)最小二乘擬合計(jì)算，直至收斂。累加每次迭代估計(jì)得到器件18項(xiàng)誤差系數(shù)值，即為最終標(biāo)定參數(shù)值。
[0019]第八步:根據(jù)上述標(biāo)定的18項(xiàng)誤差系數(shù)，對(duì)光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0020]第九步:重復(fù)第一步到第二步，按照序列I進(jìn)行手動(dòng)手動(dòng)翻轉(zhuǎn)六面體依次，轉(zhuǎn)動(dòng)前后分別靜止時(shí)間30min，保存陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，基于該輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算陀螺零偏誤差。
[0021]第十步:根據(jù)求解得到的三軸陀螺零偏誤差對(duì)光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差再次補(bǔ)償，采用光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出陀螺值減去標(biāo)定得到的陀螺零偏值即可，完成了光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)21項(xiàng)誤差參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:
[0023]本發(fā)明所提出的方法可以在現(xiàn)場(chǎng)完成光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)21項(xiàng)誤差參數(shù)的標(biāo)定，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的不足，提高了系統(tǒng)實(shí)際使用精度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明提供的基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法流程圖；
[0025]圖2A和圖2B分別為本發(fā)明實(shí)施例中靜態(tài)和搖擺情況下現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定補(bǔ)償前后20min導(dǎo)航定位誤差對(duì)比曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明提供一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，如圖1所示，所述方法包括如下步驟:
[0028]第一步:將光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊。連接系統(tǒng)、電源和采集計(jì)算機(jī)之間的線(xiàn)纜，并檢查正確。
[0029]第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預(yù)熱使光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度。
[0030]第三步:按照表1轉(zhuǎn)動(dòng)路徑序列，表1中轉(zhuǎn)動(dòng)軸X、Y、Z，光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)為O時(shí)，光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)XYZ軸與導(dǎo)航坐標(biāo)系東北天位置重合。
[0031]采用“靜止-轉(zhuǎn)動(dòng)-靜止”進(jìn)行手動(dòng)翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，完成9次翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角允許存在±10°誤差。轉(zhuǎn)動(dòng)前后每個(gè)位置靜止3~5min，并保存9次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)。
[0032]表1最小二乘擬合法轉(zhuǎn)動(dòng)路徑序列(轉(zhuǎn)動(dòng)角單位:度)[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn): 第一步:將光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊；連接系統(tǒng)、電源和采集計(jì)算機(jī)之間的線(xiàn)纜，并檢查正確； 第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預(yù)熱使光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度； 第三步:采用“靜止-轉(zhuǎn)動(dòng)-靜止”進(jìn)行手動(dòng)翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，按照轉(zhuǎn)動(dòng)路徑序列完成9次翻轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動(dòng)前后每個(gè)位置靜止3~5min，并保存9次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)路徑序列如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于:第三步中所述轉(zhuǎn)動(dòng)角允許存在±10°誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于:第四步中所述的對(duì)慣性器件誤差進(jìn)行建模，包括光纖陀螺誤差模型和加速度計(jì)誤差模型，分別如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于:所述最小二乘擬合法包含以下幾個(gè)步驟: 步驟1:建立器件誤差與系統(tǒng)速度誤差一階導(dǎo)數(shù)變化量的數(shù)學(xué)模型:
K·X = A 其中K表示轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)矩陣，X表示誤差向量，A表示觀測(cè)矩陣；誤差向量X= [Xa; Xg]； Xa = [aBx aBy aBz aSFx aMAyx aSFy aMAzx aMAzy aSFjT Xg = [gSFx gMAxy gMAxz gMAyx gSFy gMAyz gMAzx gMAzy gSFjT 式中g(shù)SFx、gSFy、gSFz分別表示三軸陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差；gMAxy、gMAxz、gMAyx、gMAyz、gMAzx、gMAzy分別表示各軸陀螺儀間的安裝誤差角；aSFx、aSFy、aSFz分別為三軸加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)誤差；aBx、aBy、aBz分別為三軸加速度計(jì)零偏；aMAyx、aMAzx、aMAzy分別表示各軸加速度計(jì)間安裝誤差角； 步驟2:求解觀測(cè)矩陣A ； 觀測(cè)矩陣A=δV(T2)-δV(T1)，δV(T2)表示T2時(shí)刻速度誤差一階導(dǎo)數(shù)矢量，δV(T1)表示T1時(shí)刻速度誤差一階導(dǎo)數(shù)矢量； 觀測(cè)矩陣由三向速度誤差一階導(dǎo)數(shù)組成，光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)靜止時(shí)，速度誤差即為光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航輸出的速度值；采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波計(jì)算速度誤差一階導(dǎo)數(shù)值； 建立狀態(tài)方程:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于:第六步中所述的對(duì)保存的9組慣性器件數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，得到新的9組慣性器件數(shù)據(jù)，其中補(bǔ)償公式如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于:計(jì)算陀螺零偏誤差計(jì)算公式如下:
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103852085SQ201410116682
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】李保國(guó), 蘆佳振, 肖文華, 吳孟 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)