一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法技术

本发明专利技术公开了一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法，步骤为：S1、设计卡尔曼滤波器；S2、设计对准阶段的转位方案：1)转位机构基于天向轴朝天，某一水平轴朝车头方向的初始位置进行粗对准，2)转位机构基于初始位置进行精对准，且精对准阶段中途转位机构的天向轴以10

【技术实现步骤摘要】
一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法


[0001]本专利技术涉及陆用双轴旋转惯导导航误差抑制领域，特别涉及一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法。

技术介绍

[0002]陆用双轴旋转惯导由惯性测量单元(Initial Measurement Unit，简称为IMU)和转位机构组成，工作原理为：将IMU安装在转位机构上，使IMU在导航过程中可以相对固定的坐标系轴旋转，由于IMU通过特定的旋转，将惯性器件的常值误差调制成为均值为零的周期变化量，可以在现有的惯性器件精度水平上，大大的提高陆用双轴旋转惯导长航时的导航精度。因此，陆用双轴旋转惯导被广泛地应用在需要高精度惯性导航系统的陆用运载体中，例如：自行榴弹炮、炮兵观察车、测地车、侦察车、机动导弹发射架等陆用运载体中。
[0003]零速修正是指利用陆用车辆停车时载体的实际速度为零作为观测信息，对惯导的导航误差进行修正。零速修正是一种简便而有效的实时误差抑制手段，在同等硬件条件下，定位精度高于纯惯导的导航精度。目前，现有的陆用惯导零速修正方法集中于捷联惯导，例如：杨鹏翔等设计的激光陀螺捷联惯导系统零速修正方案将捷联惯导的定位精度提高到44.2m(CEP)，冯庆奇等提出一种基于二次多项式拟合和卡尔曼滤波的零速修正方法应用于捷联惯导中，使其定位误差小于30m。然而，陆用双轴旋转惯导在机械结构上相比捷联惯导多了转位机构，合理的设计零速修正时转位机构的旋转方案能较好的提高零速修正精度；但是，目前还未有成熟的针对陆用双轴旋转惯导的零速修正方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种使用简便、高精度的陆用双轴旋转惯导的零速修正方法。
[0005]为此，本专利技术技术方案如下：
[0006]一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法，步骤如下：
[0007]S1、设计卡尔曼滤波器；
[0008]S101、定义卡尔曼滤波器的状态量为一个十五维的向量，即X
15
，相应表达式为：
[0009][0010]式中，X
15
为所构建的十五维卡尔曼滤波器状态量；为陆用双轴旋转惯导的姿态误差，误差，和分别为陆用双轴旋转惯导的东向误差角、北向误差角和天向误差角；δV为陆用双轴旋转惯导的速度误差，δV＝[δV
E δV
N δV
U
]T
，δV
E
、δV
N
和δV
U
分别为陆用双轴旋转惯导的东向速度误差、北向速度误差和天向速度误差；δP为陆用双轴旋转惯导的位置误差，δP＝[δL δλ δh]T
，δL、δλ和δh分别为陆用双轴旋转惯导的纬度误差、经度误差和高度误差；ε为陆用双轴旋转惯导IMU中的陀螺零偏误差，ε＝[ε
x ε
y ε
z
]T
，ε
x
、ε
y
和ε
z
分别为陆用双轴旋转惯导IMU中的X向陀螺零偏误差、Y向陀螺零偏误差和Z向陀螺零偏误
差；为陆用双轴旋转惯导IMU中的加速度计零偏误差，为陆用双轴旋转惯导IMU中的加速度计零偏误差，和分别为陆用双轴旋转惯导IMU中的X向加速度计零偏误差、Y向加速度计零偏误差和Z向加速度计零偏误差；
[0011]S102、建立卡尔曼滤波器的状态方程：
[0012][0013]式中，在F
15
中，F
11
、F
12
、F
13
、F
21
、F
22
、F
13
、F
32
、F
33
为非零矩阵元素，其具体表达式如下：
[0014][0015][0016][0017][0018][0019][0020]其中，L为当地地理纬度，λ为当地地理经度，h为当地地理高度；V
E
、V
N
和V
U
分别为陆用双轴旋转惯导的东向速度、北向速度和天向速度；R
M
和R
N
分别为当地地球子午圈和卯酉圈半径；ω
ie
为地球自转角速率；和分别为惯性测量单元测量的东向比力、北向比力和天向比力；为惯性测量单元坐标系到导航坐标系的转换矩阵；
[0021]G
15
为测量噪声输入矩阵，其表达式为：
[0022]u为测量噪声，其表达式为：其中，u
g
为陀螺的测量噪声，u
g
＝[u
gx u
gy u
gz
]T
，u
gx
为X向陀螺的测量噪声，u
gy
为Y向陀螺的测量噪声，u
gz
为Z向陀螺的测量噪声；u
a
为加速度计的测量噪声，u
a
＝[u
ax u
ay u
az
]T
，u
ax
为X向加速度计的测量噪声、u
ay
为Y向加速度计的测量噪声，u
az
为Z向加速度计的测量噪声；
[0023]S103、建立卡尔曼滤波器的观测方程：
[0024]Z
15
＝H
15
X
15
+v，
[0025]式中，Z
15
＝[01×3V
T 01×9]T
为正向导航零速修正的观测向量，V＝[V
E V
N V
U
]T
为正向导航零速修正的速度向量；v为观测噪声；H
15
为观测矩阵，其表达式为：H
15
＝[03×
3 I
3 03×9]，其中，I3为三行三列的单位矩阵，即03×3为三行三列的零矩阵，03×9为三行九列的零矩阵；
[0026]S2、设计对准阶段的转位方案，包括：1)转位机构基于天向轴朝天，某一水平轴朝车头方向的初始位置进行粗对准，和2)转位机构基于初始位置进行精对准，且精对准阶段中途转位机构的天向轴以10
°
/s的转动速度正向旋转180
°
；
[0027]S3、设计导航阶段的转位方案：陆用双轴旋转惯导的转位机构保持天向轴朝天，某一水平轴始终指向车头的方式，采用180
°
转停多次的方式进行转位；
[0028]S4、设计零速修正方案：
[0029]S401、利用惯性测量单元的陀螺仪和加速度计分别实时获得角速度信息和加速度信息，并基于惯性测量单元上导航计算机板上内嵌的惯性导航解算方程，计算出惯性导航结果；
[0030]S402、利用卡尔曼滤波器对陆用双轴旋转惯导的导航误差和惯性器件误差中的陀螺零偏误差和加速度计零偏误差进行实时预测，包括：
[0031]状态1：在陆用运载体开车前的静止过程中，开启陆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陆用双轴旋转惯导的零速修正方法，其特征在于，步骤如下：S1、设计卡尔曼滤波器；S101、定义卡尔曼滤波器的状态量为一个十五维的向量，即X
15
，相应表达式为：式中，X
15
为所构建的十五维卡尔曼滤波器状态量；为陆用双轴旋转惯导的姿态误差，为陆用双轴旋转惯导的姿态误差，和分别为陆用双轴旋转惯导的东向误差角、北向误差角和天向误差角；δV为陆用双轴旋转惯导的速度误差，δV＝[δV
E δV
N δV
U
]
T
，δV
E
、δV
N
和δV
U
分别为陆用双轴旋转惯导的东向速度误差、北向速度误差和天向速度误差；δP为陆用双轴旋转惯导的位置误差，δP＝[δL δλ δh]
T
，δL、δλ和δh分别为陆用双轴旋转惯导的纬度误差、经度误差和高度误差；ε为陆用双轴旋转惯导IMU中的陀螺零偏误差，ε＝[ε
x ε
y ε
z
]
T
，ε
x
、ε
y
和ε
z
分别为陆用双轴旋转惯导IMU中的X向陀螺零偏误差、Y向陀螺零偏误差和Z向陀螺零偏误差；
▽
为陆用双轴旋转惯导IMU中的加速度计零偏误差，
▽
＝[
▽
x
ꢀ▽
y
ꢀ▽
z
]
T
，
▽
x
、
▽
y
和
▽
z
分别为陆用双轴旋转惯导IMU中的X向加速度计零偏误差、Y向加速度计零偏误差和Z向加速度计零偏误差；S102、建立卡尔曼滤波器的状态方程：式中，在F
15
中，F
11
、F
12
、F
13
、F
21
、F
22
、F
13
、F
32
、F
33
为非零矩阵元素，其具体表达式如下：零矩阵元素，其具体表达式如下：
其中，L为当地地理纬度，λ为当地地理经度，h为当地地理高度；V
E
、V
N
和V
U
分别为陆用双轴旋转惯导的东向速度、北向速度和天向速度；R
M
和R
N
分别为当地地球子午圈和卯酉圈半径；ω
ie
为地球自转角速率；和分别为惯性测量单元测量的东向比力、北向比力和天向比力；为惯性测量单元坐标系到导航坐标系的转换矩阵；G
15
为测量噪声输入矩阵，其表达式为：u为测量噪声，其表达式为：其中，u
g
为陀螺的测量噪声，u
g
＝[u
gx u
gy u
gz
]
T
，u
gx
为X向陀螺的测量噪声，u
gy
为Y向陀螺的测量噪声，u
gz
为Z向陀螺的测量噪声；u
a
为加速度计的测量噪声，u
a
＝[u
ax u
ay u
az
]
T
，u
ax
为X向加速度计的测量噪声、u
ay
为Y向加速度计的测量噪声，u
az
为Z向加速度计的测量噪声；S103、建立卡尔曼滤波器的观测方程：Z
15
＝H
15
X
15
+v，式中，Z
15
＝[01×
3 V
T 01×9]
T
为正向导航零速修正的观测向量，V＝[V
E V
N V
U
]

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡庆中，涂勇强，杨功流，李晶，尹洪亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：