一种MEMS等效单轴旋转惯导的构造方法技术

通过MEMS惯性组件绕旋转轴做有规律的旋转来调制惯性器件的低频误差，这是一种有效提高系统精度的方法，但由于受体积、功耗、成本等诸多限制，不能增加旋转机来实现旋转调制，因此充分利用载体的机动，如飞机、舰船等载体的机动能力来实现旋转运动，进而构造等效旋单轴旋转调制来降低误差。而在实际中弹不能和载体一直运动，总得会投射出去的时候，这时候在自主飞行期间就不能调制系统的误差了，需要在自主运动期间需要误差补偿，因此设计一种通过机动和直线运动估计两者之间的误差进行估计没有旋转调制时的系统误差。由于旋转调制不能调制旋转轴向的误差，利用MEMS陀螺仪的相似度计算旋转轴向陀螺仪导致的误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及旋转惯性导航领域，特别是旋转惯导的构造方法。技术背景随着MEMS惯性技术的发展，MEMS惯性测量系统以低成本、小体积，集成化、低功耗，抗高冲击，又可大批量生产的优势，成为各种战术武器制导系统的首选，但由MEMS惯性器件构造的的捷联测量系统，其姿态精度主要取决于陀螺仪漂移，并且精度较低。通过惯性组件(MIMU)绕旋转轴做有规律的旋转来调制惯性器件的低频误差，这种旋转调制技术已经成为国外提高惯性导航精度的关键技术之一，在不使用外部信息的条件下，自动补偿陀螺漂移和加速度计常值及慢变误差引起的系统误差，同时也能消除刻度系数误差和安装误差的影响，这是提高MEMS惯性测量系统精度的一种有效途径。通旋转调制来补偿误差有别于标定、初始对准和校准等需要估计惯性元件漂移进而补偿的方法，旋转调制方法不需要知道惯性元件漂移误差的估计值，而是将误差调制成某种周期变化的形式，在导航解算的过程中利用积分运算自动将误差平均抵消。要想在战术武器中引入旋转惯导的思想，就不能够像舰船那样的导航系统，不受其体积、功耗等都限制，由于战术武器要求其导航系统体积小、成本低、功耗低和抗冲击力等，如果引入旋转机构实现旋转惯导，就得需要精密电机、驱动电路和电源等，这些都很难满足战术制导武器的要求。为了能够也在战术武器的制导系统中实现旋转调制来提高系统的导航精度，不能够以惯导的自身旋转实现旋转惯导，那就借助外部运动来实现旋转惯导，称之为等效旋转r>惯导。由于战术武器一般依附在其他载体上，如导弹、炸弹要挂在或内埋在载机上，舰船上的武器也是安装在船的某个部位，在发射前要和船一起运动。战术武器一般不能够直接发射，发射前一般需要传递对准，需要较高的初始精度，因此通过等效旋转来提供给惯导传递对准需要的参数。因此充分利用载体的机动，如飞机、舰船等载体的机动能力来实现旋转运动，进而构造等效旋转惯导进行误差调制，为能够在机动期间进行传递对准提供精确的参数。
技术实现思路
采用MEMS惯性测量系统的制导武器来说工作时间极短，需要较高的对准精度，尤其姿态精度，同时能够在对准过程中对惯性器件误差估计并补偿，提高在有效工作时间内的导航精度。利用载体的机动，一般都能够做航向机动，而俯仰和滚转机动会受到很大限制，如载机、舰船和车辆很难实现“翻跟头”和“打滚”运动。尽管可以做一定程度的俯仰和滚转机动，但不能够实现180o机动，因此在这两个轴向上不够借助载体机动实现旋转调制。但有一些的特殊的载体，如潜艇，能够实现复杂的机动。对载机、舰船和车辆等载体来说很容易实现航向机动，因此借助载体航向机动实现旋转运动，来调制制导武器惯导系统的器件误差，进而减小系统误差，为传递对准和惯性器件误差估计及补偿提供参数。设弹载惯导坐标系，载体坐标系，惯性坐标系，地球坐标系，导航坐标系。设初始时刻惯导坐标系()与载体坐标系()重合，然后进行航向机动，即惯导坐标系绕z轴方向以角速度连续转动，则时刻惯导坐标系与导航坐标系之间的转换矩阵可表示为：。利用机动构造旋转与直接旋转不同的是惯导坐标系()与载体坐标系()一直重合，即保持初始时刻的状态。MEMS捷联联测量系统的姿态角误差模型为，沿载体纵轴方向为x轴，垂直载体向为z轴，按右手坐标系构造载体坐标系，为计算导航坐标系与真实导航坐标系之间的姿态误差，和分别为角速度和角速度误差，为捷联姿态矩阵，表示在导航坐标系系内，导航坐标系系相对惯性坐标系系的转动角速度。在进行航向机动时构造旋转调制，系到系的方向余弦阵为，则旋转捷联测量系统姿态角误差方程变为：，但为单位阵，所以姿态矩阵仍是，式中的参数上标表示在对应坐标系内的分量值，下标表示相对运动的坐标系。姿态误差方程中的是角速度误差相对惯性系的在系中的表示，即，其中，陀螺的刻度系数误差：，为三个轴向的陀螺仪刻度系数误差；为陀螺仪的安装误差角：为一个对称矩阵，即3个安装误差角，，；和分别为陀螺仪的常值漂移和随机漂移。由于，所以，其中包含4项：，，和。第一项；第2项；第3项；第4项。由第1-4项知，通过航向机动，构造旋转运动，会把安装误差、刻度系数误差和常值漂移调制成周期函数，经过一个周期解算为0，即能很大程度的减小误差。在实际中由于受到载体性能和操作人员操作能力的限制，在做航向机动时，矩阵不可能完全是，会发生俯仰或滚转方向上的运动，即会附加一个矩阵或，或俯仰和滚转运动同时存在，即附加一个矩阵，由于这两个运动不能完全构造旋转运动，即无法调制误差，会增加部分误差，但这部分增加的误差对整个系统来说可以不考虑。在实际中弹不能一直随载体运动，总得会有发射出去的时候，在自主运行期间就不能调制系统的误差，所以为了能够进一步降低误差，设计一种误差估计方法，为自主运动期间进行误差补偿。误差估计步骤包括：(1)弹和载体一起飞行，进入导航状态；(2)载体从时刻到时刻进行航向机动，记录时刻的惯导误差；(3)在时刻载体进行直线运动，到时刻，满足，记录时刻惯导误差；(4)在相等的时间内，近似相同的运动外界环境，陀螺仪的误差导致的系统误差应该是一样的，但在时刻到时刻之间，载体做了机动进行了旋转调制，误差会大幅度的降低，而直线运动期间误差会很大，利用两者之间的差值估计单位时间内由陀螺仪导致的误差为：，；(4)如果时间和条件允许，重复上述过程，然后取平均。由于MEMS陀螺仪是批量生产的，具有较高的一致性，可事先通过转台标定对比z轴陀螺仪的误差特性和x，y轴陀螺仪的误差特性之间的相似性，设z轴陀螺仪误差特性和x，y轴陀螺仪误差特性的相似度为和，进而计算出由z轴陀螺仪的误差导致的系统误差，表示那个相似度大取那个轴向的误差计算。本专利技术的优点在于，⑴利用载体机动实现旋转运动，构造等效旋转调制，消除了除旋转轴方向上的误差；⑵利用MEMS陀螺仪一致性的特点，可辅助估计旋转轴方向上的误差；⑶一般载体都可以航向机动，该旋转调制构造方法简单易于实现，不用附加其他机械结构，保持了体积小、成本低，功耗低和抗振性能好等优点。附图说明图1为本专利技术的载弹飞行；图2为本专利技术的S机动过程；图3构造旋转调制的时序过程。具体实施方式以下结合附图和载机(载弹)机动来说明本专利技术的具体实施方式。以MEMS陀螺仪TL632B、加速度计MVS6000和DSP6713作为制导核心部件构造微惯性测量系统，由于加速度计精度较高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS等效单轴旋转惯导的构造方法，其特征在于利用载体的航向机动，如飞机S机动、舰船和车辆的航向机动等，进行旋转运动，构造惯导等效单轴旋转调制过程，减小由陀螺仪刻度系数误差、安装误差和常值误慢变差及等导致的系统误差。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS等效单轴旋转惯导的构造方法，其特征在于利用载体的航向机动，如飞机S
机动、舰船和车辆的航向机动等，进行旋转运动，构造惯导等效单轴旋转调制过程，减小由
陀螺仪刻度系数误差、安装误差和常值误慢变差及等导致的系统误差。
2.一种MEMS等效单轴旋转惯导的构造方法，其特征在于如果弹是内埋在舱室内，在投
弹发射的时候，会发生滚转运动，可以利用此滚动过程构造等效单轴旋转运动进行误差调
制。
3.一种误差估计方法，其特征在于估计步骤包括：(1)弹和载体一起运行，进入导航状态；
(2)载体从时刻到时刻进行航向机动，记录时刻的惯导误差；(3)在时刻载体
进行直线运动，到时刻，满足，记录时刻惯导误差；(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金显，张颖，乔美英，陶慧，李冰锋，郝海明，徐功平，杨闯，蒋志涛，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41