基于全误差分析的对惯性导航系统的惯性测量组合进行标定的方法

摘要

本发明涉及惯性导航技术，公开了基于全误差分析对惯性导航的惯性测量组合进行标定的方法。该方法包括步骤：确定加速度计组合的比力输入；将加速度计组合的比力输入代入预设的加速度计组合的误差模型中，得到加速度计组合的指示输出；确定陀螺仪组合的角速率输入；将陀螺仪组合的角速率输入代入预设的陀螺仪组合的误差模型中，得到陀螺仪组合的指示输出；辨识加速度计组合的指示输出和陀螺仪组合的指示输出中的模型系数；确定加速度计组合和陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度，根据得到的测试不确定度确定误差模型系数的标定精度。本发明的方法能够提高惯性导航的惯性测量组合的误差模型系数的标定精度。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性导航系统技术，尤其涉及基于全误差分析的对惯性导航系统中的惯性测量组合进行标定的方法。

背景技术

利用改进结构设计和制造工艺的途径来提高捷联惯导系统的精度在实践中遇到了制造精度极限的限制。通过在惯导测试设备上进行测试，标定惯导系统的误差模型，补偿或抑制惯性测试设备的误差，在提升惯导系统标定精度的同时可降低标定成本，具有非常重要的工程应用价值。

惯性测量组合（Inertial Measurement Unit，IMU）是构成惯性导航系统的核心硬件基础，它是以加速度计和陀螺仪为基本的惯性测量元件。当惯性测量组合在卧式三轴转台上标定时，由于存在三轴转台各轴的零位误差、轴线垂直度误差、惯性测量组合的安装对准误差以及地球自转角速率，这些因素会影响惯性测量组合的误差模型系数的标定精度。

因此，目前亟待需要一种惯性测量组合的标定方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种基于全误差分析的对惯性导航系统的惯性测量组合标定的方法，以提高惯性测量组合的误差模型系数的标定精度，从而提高惯性导航系统的精度。

本发明实施例提供了一种基于全误差分析的对惯性导航系统的惯性测量组合进行标定的方法，所述惯性测量组合包括加速度计组合和陀螺仪组合，所述惯性测量组合安装于卧式三轴转台上，所述卧式三轴转台包括外环轴、中环轴和内环轴，所述方法包括：

步骤一：在所述卧式三轴转台处于初始零位时，根据所述卧式三轴转台各轴的角位置、零位误差、轴线垂直度误差、外环轴的对准误差和所述惯性测量组合的安装对准误差，确定所述加速度计组合的比力输入；

步骤二：将所述加速度计组合的比力输入代入预设的加速度计组合的误差模型中，得到所述加速度计组合的指示输出；

步骤三：在外环轴以匀角速率运行时，根据所述匀角速率、地球自转角速率、当地的地理纬度、所述卧式三轴转台各轴的角位置、轴线垂直度误差和所述惯性测量组合的安装对准误差，确定所述陀螺仪组合的角速率输入；

步骤四：将所述陀螺仪组合的角速率输入代入预设的陀螺仪组合的误差模型中，得到所述陀螺仪组合的指示输出；

步骤五：辨识所述加速度计组合的指示输出和所述陀螺仪组合的指示输出中的模型系数；

步骤六：确定所述加速度计组合和所述陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度，以根据得到的测试不确定度确定误差模型的标定精度。

由上述方案可知，本发明基于惯性仪表以及系统测试过程中的全误差分析，通过对卧式三轴转台的误差源进行误差传递和综合分析，准确获取了三轴均处于初始零位时，被测试惯性测量组合的加速度计上的重力加速度分量，以及三轴转台外环轴处于匀角速率状态下惯性组合的陀螺仪的角速率分量。然后，根据加速度计组合的误差模型，获取了包含三轴转台误差和加速度计误差的全误差的指示输出，以及根据陀螺仪组合的误差模型，获取了包含地球自转角速率、三轴转台误差、陀螺仪误差的全误差的指示输出。最后，辨识误差模型中的各模型系数后，经过误差分析，有效验证了标定方法的有效性和正确性。综上，本发明提供的方案提高了惯性导航系统的惯性测量组合的误差模型的标定精度，从而提高了惯性导航系统的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以基于这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个实施例提供的惯性测量组合在卧式三轴转台的初始零位的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例提供的惯性测量组合在卧式三轴转台的初始零位的结构示意图。如图1所示，惯性测量组合（IMU）包括加速度计组合和陀螺仪组合，惯性测量组合安装于卧式三轴转台上，卧式三轴转台包括外环轴、中环轴和内环轴。

下面结合图1，对本发明实施例提供的基于全误差分析的惯性测量组合的标定方法进行详细介绍。

本发明实施例提供的惯性测量组合的标定方法，包括：

步骤一：在卧式三轴转台处于初始零位时，根据卧式三轴转台各轴的角位置、零位误差、轴线垂直度误差、外环轴的对准误差和惯性测量组合的安装对准误差，确定加速度计组合的比力输入；

步骤二：将加速度计组合的比力输入代入预设的加速度计组合的误差模型中，得到加速度计组合的指示输出；

步骤三：在外环轴以匀角速率运行时，根据匀角速率、地球自转角速率、当地的地理纬度、卧式三轴转台各轴的角位置、轴线垂直度误差和惯性测量组合的安装对准误差，确定陀螺仪组合的角速率输入；

步骤四：将陀螺仪组合的角速率输入代入预设的陀螺仪组合的误差模型中，得到陀螺仪组合的指示输出；

步骤五：辨识加速度计组合的指示输出和陀螺仪组合的指示输出中的模型系数；

步骤六：确定加速度计组合和陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度，以根据得到的测试不确定度确定误差模型的标定精度。

在本实施例中，通过对卧式三轴转台的误差源进行误差传递和综合分析，准确获取了三轴均处于初始零位（即三轴角位置

在一些实施方式中，步骤一包括：

根据如下公式确定惯性测量组合的载体坐标系相对于卧式三轴转台的东北天地理坐标系的姿态：

式中，

根据如下公式确定加速度计组合的比力输入：

其中，

式中，

在本实施例中，由于重力加速度引起的比力在东北天地理坐标系下表示为

此外，由于加速度计的比力输入是重力加速度，因此为加速度计提供的比力输入与加速度计的指示输出中的

需要说明的是，转台对准和惯性测量组合在转台上的安装对准，卧式三轴转台的外、中、内环轴分别绕x、z、y轴转动，当转台处于初始零位时，外环轴线水平指东，中环轴线竖直指上，内环轴线水平指北，即转台建立初始的东北天地理坐标系，惯性测量组合固联的载体坐标系与地理坐标系重合，以方便建立重力加速度、地球自转角速率、外环轴旋转角速率的准确传递。

再者，卧式三轴转台外环轴水平指东，与地球自转角速率矢量垂直，通过陀螺仪的输出是绕外环轴旋转整周积分，可以抑制地球自转角速率对陀螺仪误差模型标定的影响。

在一些实施方式中，预设的加速度计组合的误差模型为：

式中，

步骤二得到的加速度计组合的指示输出为：

式中，

在本实施例中，为了更高精度地辨识出加速度计组合的标度因子误差、零偏误差和安装误差等多个模型系数，采用上述加速度计组合在标定过程中的全误差模型，能够自动抑制补偿三轴转台误差对误差模型标定精度的影响。

在一些实施方式中，步骤五中辨识加速度计组合的指示输出中的模型系数，包括：

将加速度计组合的指示输出写成如下矩阵的形式：

其中，

设计外环轴、中环轴、内环轴的角位置处于27个位置，辨识加速度计组合的指示输出中的模型系数。

在本实施例中，通过设计了三轴转台的27位置法，准确标定了加速度计相对于载体坐标系的安装误差、标度因子误差和零偏等模型系数。

需要说明的是，为了标定加速度计组合的误差模型，设计外环轴、中环轴、内环轴的角位置处于27个位置，在27位置编排方案的每次转动完成后，惯性测量组合静止30s，然后开始测量，记录每次转动后惯性测量组合中加速度计的输出，总计27次转动的加速度计输出，共81个数据。通过81个数据以及建立的加速度计组合的标定模型，辨识加速度计组合的误差模型中各模型系数。

具体地，加速度计组合输出的数据可参见表1：

表1 加速度计组合标定时三轴转台的27位置表

根据表1的数据，通过仿真的方式计算

在一些实施方式中，步骤六中确定加速度计组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度，包括：

根据如下公式，确定加速度计组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度：

式中，

接表1所示数据，并代入确定加速度计组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度的公式中，可得表2所示数据：

表2 加速度计组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度

如表2所示，上述加速度计组合的误差模型中17个模型系数的测试不确定度均较小，符合标定精度要求。因此，可以说明加速度计组合的误差模型具有良好的标定精度。

在一些实施方式中，步骤三包括：

根据如下公式确定陀螺仪组合的角速率输入：

其中，

式中，

在本实施例中，当外环轴以匀角速率

在一些实施方式中，预设的陀螺仪组合的误差模型为：

式中，

步骤四得到的陀螺仪组合的指示输出为：

其中，

式中，

在本实施例中，为了更高精度地辨识出陀螺仪组合的标度因子误差、零偏误差和安装误差等多个模型系数，采用上述陀螺仪组合在标定过程中的全误差模型，能够自动抑制补偿三轴转台误差对误差模型标定精度的影响。

在一些实施方式中，步骤五中辨识陀螺仪组合的指示输出中的模型系数，包括：

将陀螺仪组合的指示输出写成如下矩阵的形式：

其中，

设计外环轴以匀角速率

在本实施例中，通过设计了外环轴以匀角速率

需要说明的是，为了标定陀螺仪组合的误差模型，令外环轴以角速度ω匀速旋转、并设计中环轴、内环轴的角位置处于8个位置。三轴台外环轴以匀角速率ω旋转，中环轴与内环轴按照8位置编排方案进行转动。每次转动完成后静止30s，然后开始测量，记录每次转动后惯性测量组合中陀螺仪的输出，总计8次转动的陀螺仪输出，共24个数据。通过24个数据以及建立的陀螺仪组合的标定模型，辨识陀螺仪组合的误差模型中各模型系数。

具体地，陀螺仪组合输出的数据可参见表3：

表3 陀螺仪标定时三轴转台的内、中环轴位置表

根据表3的数据，通过仿真的方式计算

在一些实施方式中，步骤六中确定陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度，包括：

根据如下公式，确定陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度：

式中，

接表3所示数据，并代入确定陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度的公式中，可得表4所示数据：

表4 陀螺仪组合的误差模型中各模型系数的测试不确定度

如表4所示，上述陀螺仪组合的误差模型中12个模型系数的测试不确定度均较小，符合标定精度要求。因此，可以说明陀螺仪组合的误差模型具有良好的标定精度。

综上，基于卧式三轴转台，对惯性测量组合分别进行标定，标定过程中建立包含转台误差、加速度计误差的全误差的标定模型。通过重力加速度在加速度计组合上的准确分量复现，标定了加速度计组合的误差模型；通过外环轴匀角速率旋转产生角速率矢量，再通过外环轴角速率矢量和地球自转角速率矢量在陀螺仪上的分量复现，准确标定了陀螺仪的误差模型。

具体地，上述标定方法首先设计加速度计组合相对于重力加速度矢量，分别采用不同的指向，并考虑转台相对于重力加速度计矢量和地球自转角速率的对准误差、各个轴系的零位误差、轴线垂直度误差、加速度计组合的安装误差等，并基于加速度计组合的误差模型，建立加速度计的全误差的标定模型，获取了加速度计组合的指示输出，根据指示输出进行试验设计，得到了能够抑制三轴转台误差的准确的加速度计组合的误差模型。对于陀螺仪组合，则有两个角速率激励源，一是地球自转角速率激励，二是卧式三轴转台的外环轴系产生的匀角速率激励，通过内环轴、中环轴定位到某个角位置，可知陀螺仪组合相对于两个角速率矢量在3只陀螺仪输入轴上的准确分量，再根据陀螺仪组合的误差模型，给出陀螺仪的指示输出，据此设计陀螺仪的误差模型系数的辨识方法，得到能够抑制三轴转台误差的精确的陀螺仪的误差模型。

本发明实施例基于惯性仪表及系统测试标定过程中的全误差分析，根据三轴转台误差、三轴转台的安装对准误差、陀螺仪误差、加速度计误差、加速度计与陀螺仪间的安装误差、捷联惯性测量组合的安装对准误差等进行分析，结合惯性测量组合的误差模型，包括加速度计组合的误差模型和陀螺仪组合的误差模型，建立了全误差的标定模型，然后设计试验方法，分离了转台误差，且能有效抑制转台误差对惯性测量组合标定精度的影响，进一步提升了惯性测量组合的标定模型精度，具有较高的工程应用价值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。