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一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，屬于慣性【技術領域】。本發(fā)明采用9次翻轉(zhuǎn)路徑設計，對系統(tǒng)輸出慣性數(shù)據(jù)應用最小二乘擬合的方法求解得到光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)18項誤差系數(shù)；再通過一次翻轉(zhuǎn)得到零偏誤差，進而得到全部21項器件誤差參數(shù)；本發(fā)明提供的技術方案利用六面體或其它相似的可翻轉(zhuǎn)裝置即可完成現(xiàn)場標定試驗，克服了傳統(tǒng)實驗室標定的不足，提高了系統(tǒng)實際使用精度。
【專利說明】一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性【技術領域】，涉及一種光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，具體地說，是指一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法。
【背景技術】
[0002]光纖陀螺具有精度高、啟動快、動態(tài)范圍大、抗振動沖擊能力強及成本低等優(yōu)點，是慣性儀表領域的發(fā)展趨勢。近年來，光纖陀螺技術的迅猛發(fā)展推動了光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在陸、海、空、天領域的應用。光纖捷聯(lián)慣導在使用前必須通過實驗室轉(zhuǎn)臺標定試驗確定出其核心部件即光纖陀螺和加速度計的標度因數(shù)和各項誤差系數(shù)，在后續(xù)的導航計算中進行補償。
[0003]但是，通過實驗室轉(zhuǎn)臺試驗標定出的光纖慣導系統(tǒng)各項誤差系數(shù)并不是固定不變的，包括光纖陀螺零位漂移誤差、標度因數(shù)、安裝誤差和加速度計常值誤差、標度困數(shù)、安裝誤差等。這些誤差參數(shù)隨著系統(tǒng)使用或存放時間的推移而變化，尤其是光纖陀螺零位漂移和加速度計偏值，每次上電啟動都不相同，且時間間隔越長變化越大。光纖陀螺和加速度計誤差參數(shù)的改變直接導致光纖慣導系統(tǒng)的精度降低，使慣導系統(tǒng)無法使用要求。
[0004]因此，通常需要對光纖慣導系統(tǒng)進行半年或三個月一次的定期標定，而且傳統(tǒng)的基于精密轉(zhuǎn)臺的標定方法復雜、耗時長，這為使用單位增添了巨大的工作量及人力、物力、財力的消耗。因此，在使用現(xiàn)場對光纖慣導的各項誤差系數(shù)進行標定，不僅可以減少甚至取消定期標定，還可以提高光纖捷聯(lián)慣導的實際使用精度。但是，在現(xiàn)場沒有精密的轉(zhuǎn)臺作為測試基準，不能對充纖陀螺捷聯(lián)慣導進行精確定向，所以傳統(tǒng)的基于精密轉(zhuǎn)臺的靜態(tài)多位置標定方法和速率標定方法都無法實施，為光纖捷聯(lián)慣導的現(xiàn)場標定帶來了極大難度。
[0005]在沒有精確的基準設備和復雜的轉(zhuǎn)位機構(gòu)的情況下，現(xiàn)場標定就不能采用傳統(tǒng)的速率位置法，必須依靠系統(tǒng)級方法來克服基準信息缺乏的困難。系統(tǒng)級方法以光纖慣導的導航誤差為觀測量，通過慣導系統(tǒng)誤差參數(shù)與導航誤差之間的關系，建立慣導系統(tǒng)誤差參數(shù)與導航誤差之間的方程式，進而求解出慣導系統(tǒng)的誤差參數(shù)。因此，系統(tǒng)級標定方法可以克服使用現(xiàn)場設備條件不足的缺點，并獲得高精度的系統(tǒng)誤差標定接過。
[0006]參考文獻[I](光電工程，劉百奇，房建成.光纖陀螺IMU的六位置旋轉(zhuǎn)現(xiàn)場標定新方法[J].35(1)，2008:60-65)公開了一種光纖陀螺IMU的六位置旋轉(zhuǎn)現(xiàn)場標定新方法，本文采用光纖陀螺MU在六個位置上進行12次旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)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(zhuǎn)積分和對稱位置誤差相消，消除方程中的非線性項，最終求出陀螺標度因數(shù)、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(shù)。但是該方法不能夠標定出加速度計通道的標度因數(shù)和安裝誤差。
[0007]參考文獻[2](測控技術，顏開思，李歲勞，龔柏春，賈繼超.[J].30(5)，2011:106-109)公開了一種基于平臺和正六面體的慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定技術，該文獻通過翻轉(zhuǎn)正六面體使對稱位置誤差相消，并且在對準中獲取姿態(tài)信息，同時精確標定出陀螺漂移和加速度計零偏。最后對理論分析結(jié)果進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明該方案可以實現(xiàn)外場條件下的陀螺漂移和加速度計零偏的精確標定。但是該方法不能夠標定出陀螺、加速度的標度因數(shù)和安裝誤差。
[0008]參考文獻[3](吳賽成，秦石喬，王省書，胡春生.[J].中國慣性技術學報，19 (2) ,2011:185-189)公開了一種激光陀螺慣性測量單元系統(tǒng)級標定方法，該文獻建立了附加約束條件的陀螺和加速度計安裝坐標系數(shù)學模型，根據(jù)陀螺和加速度計的輸出誤差方程，從慣性導航基本誤差方程出發(fā)推導了慣性測量單元的系統(tǒng)級誤差參數(shù)標定Kalman濾波模型，該模型包含了陀螺和加速度計零偏、比例因子、安裝誤差在內(nèi)共21維標定誤差狀態(tài)變量，且僅以速度解算誤差為觀測量。但是該方法標定步驟較多，標定時間過長，缺少實驗數(shù)據(jù)驗證。
[0009]參考文獻[4](專利文獻號CN102607594A)公開了一種捷聯(lián)慣導光纖陀螺系統(tǒng)誤差參數(shù)現(xiàn)場標定方法，所述現(xiàn)場標定方法通過姿態(tài)測量儀器給出載體姿態(tài)角，選取姿態(tài)作為觀測量，標定出光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)光纖陀螺各項誤差系數(shù)。但是該方法需要現(xiàn)場提供姿態(tài)測量輔助器件，實時精確測量載體姿態(tài)角，并且要與光纖陀螺輸出值保持一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，減少或者甚至取消光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)周期性地返實驗室校標，提高系統(tǒng)實際使用精度。
[0011]本發(fā)明采用9次翻轉(zhuǎn)路徑設計，包括轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動順序和轉(zhuǎn)動角度等；應用最小二乘擬合的方法得到光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)全部21項器件誤差參數(shù)；利用六面體或其它相似的可翻轉(zhuǎn)裝置即可完成現(xiàn)場標定試驗。具體方法步驟如下:
[0012]第一步:將光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)通過工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊。連接系統(tǒng)、電源和采集計算機之間的線纜，并檢查正確。
[0013]第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預熱使光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度。
[0014]第三步:采用“靜止-轉(zhuǎn)動-靜止”進行手動翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，按照轉(zhuǎn)動路徑序列完成9次翻轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動前后每個位置靜止3?5min，并保存9次轉(zhuǎn)動過程中光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)。
[0015]第四步:對慣性器件誤差進行建模。
[0016]第五步:對9組慣性器件數(shù)據(jù)進行處理，采用最小二乘擬合的方法求解，得到除陀螺零偏以外的其他18項誤差系數(shù)；
[0017]第六步:根據(jù)標定得到18項誤差系數(shù)，對保存的9組慣性器件數(shù)據(jù)進行補償，得到新的9組慣性器件數(shù)據(jù)。
[0018]第七步:對于第六步中得到的新的9組慣性器件數(shù)據(jù)，重復第五步和第六步3?5次，即迭代器件18項誤差系數(shù)值進行重復最小二乘擬合計算，直至收斂。累加每次迭代估計得到器件18項誤差系數(shù)值，即為最終標定參數(shù)值。
[0019]第八步:根據(jù)上述標定的18項誤差系數(shù)，對光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)進行補償。
[0020]第九步:重復第一步到第二步，按照序列I進行手動手動翻轉(zhuǎn)六面體依次，轉(zhuǎn)動前后分別靜止時間30min，保存陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，基于該輸出數(shù)據(jù)，計算陀螺零偏誤差。
[0021]第十步:根據(jù)求解得到的三軸陀螺零偏誤差對光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)誤差再次補償，采用光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出陀螺值減去標定得到的陀螺零偏值即可，完成了光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)21項誤差參數(shù)的現(xiàn)場標定。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:
[0023]本發(fā)明所提出的方法可以在現(xiàn)場完成光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)21項誤差參數(shù)的標定，克服了傳統(tǒng)實驗室標定的不足，提高了系統(tǒng)實際使用精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明提供的基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法流程圖；
[0025]圖2A和圖2B分別為本發(fā)明實施例中靜態(tài)和搖擺情況下現(xiàn)場標定補償前后20min導航定位誤差對比曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0027]本發(fā)明提供一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，如圖1所示，所述方法包括如下步驟:
[0028]第一步:將光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)通過工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊。連接系統(tǒng)、電源和采集計算機之間的線纜，并檢查正確。
[0029]第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預熱使光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度。
[0030]第三步:按照表1轉(zhuǎn)動路徑序列，表1中轉(zhuǎn)動軸X、Y、Z，光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始姿態(tài)為O時，光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)XYZ軸與導航坐標系東北天位置重合。
[0031]采用“靜止-轉(zhuǎn)動-靜止”進行手動翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，完成9次翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動角允許存在±10°誤差。轉(zhuǎn)動前后每個位置靜止3~5min，并保存9次轉(zhuǎn)動過程中光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)。
[0032]表1最小二乘擬合法轉(zhuǎn)動路徑序列(轉(zhuǎn)動角單位:度)[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于通過如下步驟實現(xiàn): 第一步:將光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)通過工裝安裝在正六面體裝置上，鎖緊；連接系統(tǒng)、電源和采集計算機之間的線纜，并檢查正確； 第二步:將正六面體裝置置于水平面上，上電預熱使光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)，并裝訂光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的初始位置參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、緯度和高度； 第三步:采用“靜止-轉(zhuǎn)動-靜止”進行手動翻轉(zhuǎn)正六面體裝置，按照轉(zhuǎn)動路徑序列完成9次翻轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動前后每個位置靜止3~5min，并保存9次轉(zhuǎn)動過程中光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出所有慣性器件數(shù)據(jù)；所述轉(zhuǎn)動路徑序列如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于:第三步中所述轉(zhuǎn)動角允許存在±10°誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于:第四步中所述的對慣性器件誤差進行建模，包括光纖陀螺誤差模型和加速度計誤差模型，分別如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于:所述最小二乘擬合法包含以下幾個步驟: 步驟1:建立器件誤差與系統(tǒng)速度誤差一階導數(shù)變化量的數(shù)學模型:
K·X = A 其中K表示轉(zhuǎn)動系數(shù)矩陣，X表示誤差向量，A表示觀測矩陣；誤差向量X= [Xa; Xg]； Xa = [aBx aBy aBz aSFx aMAyx aSFy aMAzx aMAzy aSFjT Xg = [gSFx gMAxy gMAxz gMAyx gSFy gMAyz gMAzx gMAzy gSFjT 式中gSFx、gSFy、gSFz分別表示三軸陀螺儀標度因數(shù)誤差；gMAxy、gMAxz、gMAyx、gMAyz、gMAzx、gMAzy分別表示各軸陀螺儀間的安裝誤差角；aSFx、aSFy、aSFz分別為三軸加速度計標度因數(shù)誤差；aBx、aBy、aBz分別為三軸加速度計零偏；aMAyx、aMAzx、aMAzy分別表示各軸加速度計間安裝誤差角； 步驟2:求解觀測矩陣A ； 觀測矩陣A=δV(T2)-δV(T1)，δV(T2)表示T2時刻速度誤差一階導數(shù)矢量，δV(T1)表示T1時刻速度誤差一階導數(shù)矢量； 觀測矩陣由三向速度誤差一階導數(shù)組成，光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)靜止時，速度誤差即為光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)導航輸出的速度值；采用標準卡爾曼濾波計算速度誤差一階導數(shù)值； 建立狀態(tài)方程:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于:第六步中所述的對保存的9組慣性器件數(shù)據(jù)進行補償，得到新的9組慣性器件數(shù)據(jù)，其中補償公式如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘擬合的光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定方法，其特征在于:計算陀螺零偏誤差計算公式如下:
【文檔編號】G01C25/00GK103852085SQ201410116682
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】李保國, 蘆佳振, 肖文華, 吳孟 申請人:北京航空航天大學