一種基于數字高通濾波的旋轉捷聯系統現場標定方法技術方案

本發明專利技術提供的是一種基于數字高通濾波的旋轉捷聯系統現場標定方法。（１）通過ＧＰＳ確定載體的初始位置參數；（２）采集光纖陀螺儀輸出和加速度計輸出的數據并對數據進行處理；（３）慣性測量單元單軸四位置轉停；（４）利用譜條件數法分析慣性器件偏差的可觀測度；（５）采用ＩＩＲ高通數字濾波器濾除導航系下的速度信息中包含的舒勒周期；（６）以濾波后的速度信息作為觀測量，采用卡爾曼濾波技術估計慣性器件的偏差。當載體處于系泊狀態下，采用本發明專利技術可以獲得較高現場標定精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及的是一種測量方法，尤其涉及的是。
技術介紹
捷聯慣性導航系統(SINS)是將陀螺儀、加速度計等慣性元件固連在載體上，根據牛頓力學定律，通過對這些慣性元件采集的信息進行處理，得到載體的姿態、速度、位置、加速度、角速度和角加速度等全導航信息的完全自主導航設備。由于SINS完全依靠自身的慣性元件，不依靠任何外界信息測量導航參數，因此，它具有隱蔽性好，不受氣候條件限制，不受干擾等優點，是一種完全自主式、全天候的導航系統，已廣泛應用于航空、航天、航海等領域。根據SINS的基本原理，SINS在導航過程中慣性器件常值偏差的存在是導致慣導系統導航精度難以提高的主要因素。如何有效限制慣性導航誤差發散、提高慣性導航系統精度是慣性導航領域一項非常重要的課題。 慣導系統的誤差抑制，不是依賴于外部輔助對誤差狀態進行估計，而是研究慣性導航誤差在特定運動條件下的傳播規律，并依據此規律限制誤差發散，提高導航精度的方法。轉動抑制是最典型的誤差抑制方法通過繞一個軸或多個軸轉動慣性測量單元(IMU)，對導航誤差進行調制，達到控制導航誤差發散、提高導航精度的目的。 標定技術就是一種從軟件方面來提高慣導實際使用精度的方法。標定技術本質上也是一種誤差補償技術。所謂誤差補償技術就是建立慣性元件和慣導系統的誤差數學模型，通過一定的試驗來確定模型系數，進而通過軟件算法來消除誤差。慣性元件和慣導系統在出廠之前，必須通過標定來確定基本的誤差數學模型參數，以保證元件和系統的正常工作。而且慣性元件高階誤差項的研究、慣導系統惡劣動態環境下的誤差補償都是在標定的基礎上進行的，可以說標定工作是整個誤差補償技術的基礎。慣性測量單元逐次開機誤差(慣性元件的漂移與刻度因數誤差)是不同的，且隨著時間增加IMU輸出誤差隨時間發生漂移，實現現場在線標定對于提高系統精度具有重大意義。 在CNKI庫中與本專利技術相關的公開報道有1、《水平初始對準誤差對旋轉IMU導航系統的精度影響》，該文章主要講述了水平不對準對旋轉捷聯慣導系統的影響，其中文中講述了IMU單軸單向旋轉，但是并沒有提及現場標定的內容。2、《旋轉IMU在光纖捷聯航姿系統中的應用》，該文章主要介紹了單軸、雙軸旋轉方式，并在理論上給予證明。3、《光纖陀螺IMU的六位置旋轉現場標定新方法》，該文章主要介紹了在使用現場將光纖陀螺IMU在六個位置上進行十二次旋轉，然后根據光纖陀螺IMU的誤差模型建立42個非線性輸入輸出方程，通過旋轉積分和對稱位置誤差相消，消除方程中的非線性項，最終求解出陀螺標度因數、陀螺常值漂移、陀螺安裝誤差和加速度計常值偏置等15個誤差系數。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種當載體處于系泊狀態下，可以獲得較高現場標定精度的. 本專利技術的目的是這樣實現的包括以下步驟 (1)利用全球定位系統GPS確定載體的初始位置參數，將它們裝訂至導航計算機中； (2)光纖陀螺捷聯慣性導航系統進行預熱后采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據； (3)IMU采用8個轉停次序為一個旋轉周期的轉位方案； (4)利用譜條件數法求取IMU四位置轉停過程中慣性器件偏差的可觀測度； (5)設計無限沖擊響應數字高通濾波器，將導航系下解算出的載體水平速度進行高通濾波處理，濾除導航系下載體速度中的舒勒周期，保留載體由于搖擺和蕩運動產生的速度偏差； (6)根據慣導系統動基座誤差方程建立載體系泊狀態時的估漂模型，以高通濾波后得到的速度直接作為觀測量，利用卡爾曼濾波技術實現旋轉捷聯慣導系統的現場標定。 本專利技術還可以包括 1、所述IMU采用8個轉停次序為一個旋轉周期的轉位方案為 次序1，IMU從A點出發順時針轉動180°到達位置C，停止時間Tt；次序2，IMU從C點出發順時針轉動90°到達位置D，停止時間Tt；次序3，IMU從D點出發逆時針轉動180°到達位置B，停止時間Tt；次序4，IMU從B點出發逆時針轉動90°到達位置A，停止時間Tt；次序5，IMU從A點出發逆時針轉動180°到達位置C，停止時間Tt；次序6，IMU從C點出發逆時針轉動90°到達位置B，停止時間Tt；次序7，IMU從B點出發順時針轉動180°到達位置D，停止時間Tt；次序8，IMU從D點出發順時針轉動90°到達位置A，停止時間Tt；IMU按照此轉動順序循環進行；水平東向軸上的IMU停頓點p3、p8與p4、p7對稱于轉軸中心；北向軸上的停頓點p1、p5與p2、p6對稱于轉軸中心；四位置轉停方案仍然是轉動角度為180°或90°間隔進行。 2、所述利用譜條件數法求取IMU四位置轉停過程中慣性器件偏差的可觀測度的方法為 求解線性方程組 AX＝b，b∈Cn 設A∈Cn×n，||·||是一種算子范數， 稱cond(A)為矩陣A的關于算子范數||·||的條件數，常用的是關于p-范數||·||p的條件數，記作condp(A)，cond2(A)為譜條件數， 針對離散時變系統 將系統狀態方程帶入觀測方程得到一組方程 記 則 OkX0＝Z 對于定常系統Fk為常數，Ok就是可觀性矩陣，時變系統在采樣點上進行觀測得到離散時變系統，Fk就是采樣周期內的狀態轉移矩陣Φ(tk+T，tk)， Ok＝T 狀態是n維的，一次觀測量Zk是r維的(r＜n)，觀測陣H的秩為r，至少進行k次觀測(kr≥n)，求出X0，根據最小二乘法求解狀態X0， 為觀測陣，由于 是正規矩陣，通過計算譜條件數cond2(M)，來分析解的穩定性，而 式中，λ為矩陣M的特征值，進一步分析矩陣M的特征值和特征向量，以便確定究竟哪些狀態的可觀測度較好，哪些狀態的可觀測度差，將M可酉對角化，記UTMU＝Λ，其中Λ＝diag(λ1，λ2，...λn)，則狀態X的可觀測度S S＝abs(UT) 計算出系統可觀測性矩陣M的特征值和特征向量，確定出各個狀態的可觀測度。 3、所述利用卡爾曼濾波技術實現旋轉捷聯慣導系統的現場標定的方法為 1)建立卡爾曼濾波的狀態方程 用一階線性微分方程來描述旋轉捷聯慣導系統的狀態誤差 其中X(t)為t時刻系統的狀態向量；A(t)和B(t)分別為系統的狀態矩陣和噪聲矩陣；W(t)為系統噪聲向量； 系統的狀態向量為 系統的白噪聲向量為 W＝T 其中δVe、δVn分別表示東向、北向的速度誤差； 分別為IMU坐標系oxs、oys軸加速度計零偏；εx、εy、εz分別為IMU坐標系oxs、oys、ozs軸陀螺的常值漂移；ax、ay分別為IMU坐標系oxs、oys軸加速度計的白噪聲誤差；δKgx、δKgy、δKgz分別為IMU坐標系oxs、oys、ozs軸陀螺的標度因數誤差；ωx、ωy、ωz分別為IMU坐標系oxs、oys、ozs軸陀螺的白噪聲誤差； 系統的狀態轉移矩陣為 VE、VN分別表示東向、北向的速度；ωx、ωy、ωz分別表示陀螺的三個輸入角速度；ωie表示地球自轉角速度；Rm、Rn分別表示地球子午、卯酉曲率半徑；L表示當地緯度；fE本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于數字高通濾波的旋轉捷聯系統現場標定方法，其特征在于包括以下步驟：　　　　（１）利用全球定位系統ＧＰＳ確定載體的初始位置參數，將它們裝訂至導航計算機中；　　　　（２）光纖陀螺捷聯慣性導航系統進行預熱后采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據；　　　　（３）ＩＭＵ采用８個轉停次序為一個旋轉周期的轉位方案；　　　　（４）利用譜條件數法求取ＩＭＵ四位置轉停過程中慣性器件偏差的可觀測度；　　　　（５）設計無限沖擊響應數字高通濾波器，將導航系下解算出的載體水平速度進行高通濾波處理，濾除導航系下載體速度中的舒勒周期，保留載體由于搖擺和蕩運動產生的速度偏差；　　　　（６）根據慣導系統動基座誤差方程建立載體系泊狀態時的估漂模型，以高通濾波后得到的速度直接作為觀測量，利用卡爾曼濾波技術實現旋轉捷聯慣導系統的現場標定。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫楓，孫偉，袁俊佳，薛媛媛，王武劍，李國強，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]