舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角修正方法

摘要

本发明涉及一种舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角修正方法，属于惯性导航技术领域。方法包括以下几个步骤：创建姿态角误差修正试验条件；构建姿态角误差修正数学模型；标定姿态角误差修正参数；姿态角误差修正补偿方法。本发明对舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角进行了修正，合理有效地减小单轴旋转平台倾斜对姿态角数据的影响。该方法的实现对于提高单轴旋转调制捷联惯导姿态角精度，拓展该类型设备在舰船的应用具有重要的使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角误差参数标定和补偿方法。 

背景技术

捷联惯导系统是近年来惯性技术的一个发展方向。从国外惯性导航系统的发展现状分析，捷联惯导已经逐步取代传统的平台惯导成为多数应用领域的主流。在海基测控任务中单纯的捷联惯导很难满足航天测量船对姿态角的高精度需求，因而采用单轴旋转调制方案。 

单轴旋转平台在加工和安装中存在不可避免的倾斜误差，直接影响到姿态角数据的精度甚至是设备的正常使用。理论上可以从以下方面解决上述问题，一是提高单轴旋转平台的精度，但是生产加工严格受到材料和工艺的限制，二是设计和采用高精度的捷联算法，但是存在很大难度且会急剧增加成本；三是采用姿态角误差修正技术，需要设计合理的试验方案和数据处理方法。综合分析，采用姿态角误差修正技术，设计合理的试验方案，研究姿态角误差修正技术可以有效限制和减小单轴旋转平台倾斜对姿态角数据的影响。 

虽然设备研制厂所对转台的倾斜误差（轴系参数）进行了标定和修正，但在试验过程中，仍发现存在较明显的剩余误差，主要表现为较明显的姿态角误差与转台旋转角度相关的阶梯误差现象。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角修正方法，对搭载试验用单轴旋转调制捷联惯导姿态角进行修正，有效减小单轴旋转平台倾斜对姿态角数据的影响。 

本发明的目的是这样实现的：一种舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角修正方法，所述方法包括以下步骤： 

步骤一、确定姿态角误差修正试验条件

本方法可以在捷联惯导静态或动态情况下实施。静态条件下，要求在标定过程中用于安装捷联惯导的基座本身的姿态角变化不大于捷联惯导输出的姿态角误差的1/3,三个姿态角（横摇R、纵摇P、航向H）输出可视为固定值。动态条件下，要求待标定的捷联惯导（简称SINS）和比对基准设备（如平台惯导简称INS）固联安装在同一基座上，比对基准设备的测量精度不低于待标定的捷联惯导的精度指标，并且两套设备的数据已完成坐标系取齐。

步骤二、建立姿态角误差修正数学模型 

静态条件下以步骤一中已知的固定值（捷联惯导的横摇R、纵摇P、航向H三个姿态角）作为比对基准，动态条件下以比对基准设备（如INS）的输出姿态作为基准，同步录取姿态角误差ΔR、ΔP、ΔH和转台角度Kp，绘制ΔR、ΔP、ΔH和Kp关系曲线，可发现它们之间符合的三角函数特征，按三角函数参数估计方法，可用以下误差模型表示：

                    (1)

公式（1）中，R₀、P₀、H₀分别为三个姿态角误差的常值分量，A_R、A_P、A_H为三个姿态角误差的幅值，Φ_R、Φ_P、Φ_H为三个姿态角误差的初始相位，Kp为转台角度。R₀、P₀、H₀、A_R、A_P、A_H、Φ_R、Φ_P、Φ_H即为误差模型中待标定的9个参数。

三、姿态角误差修正参数标定 

为了方便标定，将公式(1)改写为

                    (2)

公式（2）中，,，这里i =R、P、H。

公式(2)中只需要获取三个Kp对应Δi（i =R、P、H）值，即可确定i₀、a_i、b_i三个参数。对于多位置(n位置)转停单轴旋转捷联惯导，可取转台停止位置的姿态角误差均值作为误差观测量，建立观测方程： 

                           (3)

公式（3）中

    

公式（3）的最小二乘解为

                    (4)

由公式(4)确定i₀、a_i、b_i后，，，并根据a_i、b_i符号确定Φ_i 象限。

四、姿态角误差修正补偿方法 

据姿态角误差参数标定后，根据公式(1)可实时计算任意转台角度的姿态角误差值ΔR、ΔP、ΔH，将未修正的实时测量值R、P、H分别减去ΔR、ΔP、ΔH即可得到修正后的测量值。

在实际标定过程中，横摇、纵摇两个水平姿态角，使用该方法即可取得良好效果。航向误差除了与转台角度有关外，还与旋转平台旋转角速度存在反向关系，需要利用转台角速度再乘一个比例因子对航向数据进一步进行综合补偿。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

本发明通过对SINS姿态角数据输出结果进行修正的方法，消除了单轴转台平台倾斜对SINS姿态角数据的影响，提高了SINS姿态角精度，以极小成本将试验样机向工程化应用，规避了必须通过提高转台精度或者改变捷联算法来提高姿态角精度的难题。

附图说明

图1是单轴旋转捷联惯导静态条件下的姿态角输出曲线。 

图2是单轴旋转捷联惯导与比对基准（平台惯导）动态条件下姿态角误差曲线。 

图3是单轴旋转捷联惯导姿态角误差与转台角度三角函数关系曲线。 

图4是单轴旋转捷联惯导横纵摇修正结果。 

图5是单轴旋转捷联惯导航向修正结果。 

具体实施方式

参见图1—图5，本发明涉及一种舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角修正方法，以某型单轴旋转调制捷联惯导旋转调制方案为：台体内部坐标系0o→180o→270o→90o→0o，每个位置停留时间300s，旋转角速度10o/s，周期（不含旋转运动过程）1200s。 

姿态角数据如果不进行补偿修正，误差会很大，水平姿态阶梯峰峰值达70″，航向峰峰值达120″。 

姿态角修正实施步骤： 

采用台体0°、180°、270°、90°四个转位的姿态角差平均值作为观察量，以R₀、a_R、b_R作为待估参数写成矩阵形式：

                        (5)

式（5）中

 

式（5）的最小二乘解为

                    (6)

采用同样的方法可以确定纵摇的三个参数P₀、a_P、b_P，参数估计结果见表1。

表1  SINS水平姿态误差参数估计结果 

采用同样的方法可以确定航向的三个参数H₀、a_H、b_H，参数估计结果见表2，其中H₀不修正。

表2  SINS航向误差参数估计结果 

H0aHbHAHΦH--35.01″-60.98″70.32″150.89°

在航向标定过程中，由于比对的平台惯导航向误差不稳定，H₀参数无实际意义，故不作标定和补偿，需要经水平参数补偿后，更高精度的航向比对基准(纬仪测星标定航向误差)确定。

姿态角修正实施结果： 

利用最小二乘法估计的表1参数分别对横摇、纵摇数据补偿，由旋转平台倾斜引起的阶梯误差现象已消除。

利用最小二乘法估计的表1参数对航向角数据补偿。由旋转平台倾斜引起的阶梯误差现象已消除，但在转台旋转过程中的姿态角存在较大的毛刺。发现毛刺大小约40″，方向与旋转平台角速度方向相反，鉴于其中规律，分析过程中利用转台角速度再乘一个系数对航向数据做进一步补偿，毛刺现象基本消失。 

补偿后姿态角数据精度： 

补偿后的该型捷联惯导纵摇、横摇与平台惯导比对总误差分别为5.8″和5.3″；与经纬仪测星结果比对航向误差总误差为8.0″，满足捷联惯导指标和舰载应用要求，说明该补偿方法有效、可行。