基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法

2023-06-03 21:44:21 1

基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法
【專利摘要】本發明公開一種基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法，屬於慣性導航領域。本發明直接將陀螺輸出角速率進行矢量叉乘，可以有效地補償剛體轉動不可交換性誤差，同時前一姿態更新周期與當前姿態更新周期內數值積分得到的角增量進行叉乘，進一步提高了算法姿態解算精度，本發明有效地解決角速率輸出光纖陀螺慣導系統在高動態環境下姿態求解問題。
【專利說明】基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於慣性導航姿態解算【技術領域】，具體涉及一種基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法。
【背景技術】
[0002]隨著光纖傳感技術的發展，1976年美國猶他州立大學V.Vali和R.Shorthill教授首次提出了光纖陀螺(Fiber-Optic Gyroscope, FOG)的概念,光纖陀螺已成為慣性導航領域的重要傳感器件。對於捷聯慣導系統而言，有限轉動的不可交換性誤差是其姿態解算的一個主要誤差源，雖然可以通過提高姿態更新頻率來減小不可交換性誤差，但是計算機的採樣頻率有限，不可能無限制地提高，因此有必要研究一種適用於載體高動態環境下的姿態算法。
[0003]1971年，Bortz提出了旋轉矢量微分方程，為一種全新的姿態算法提供了理論基礎，有效地解決了算法求解過程中存在的不可交換性誤差；在此基礎上，Miller提出了二子樣、三子樣誤差補償算法，而Lee在此基礎上又提出了四子樣算法Jiang提出了利用當前周期與前一周期陀螺儀採樣信號進行誤差補償新算法，能夠提高算法精度；Savage對前人工作進行了總結，並就姿態更新算法的實現提出了一系列技巧，給出了完整的捷聯慣導姿態算法編排和離散更新方法。這些算法的實現都是基於陀螺儀的角增量信息展開的，當陀螺儀輸出為角速率信號時，利用數值積分方法將角速率信息轉換為角增量信息，然後直接應用傳統圓錐誤差補償算法，算法精度會降低2個數量級，不能滿足載體高動態環境下對姿態解算精度的要求。針對幹涉型光纖陀螺角速率信號可直接得到的特點，有必要研究一種能夠直接利用陀螺儀輸出角速率信息進行姿態解算算法，從而進一步提高光纖陀螺儀的實際工程利用價值。
[0004]採用畢卡法求解四元數微分方程時，其過程是先計算出載體運動時對應的四元數Q⑴，再根據四元數和姿態矩陣的對應關係，分別求出姿態矩陣和姿態角。
[0005]四元數微分方程的畢卡求解法:.0
【權利要求】
1.一種基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法，其中所述光纖陀螺慣導系統姿態優化過程包括旋轉矢量計算模塊和四元數更新模塊，所述旋轉矢量表示載體姿態的變化，所述四元數表示載體相對於參考坐標系的實時方位， 所述的旋轉矢量計算模塊執行以下步驟: (11)利用DSP和FPGA實現數據採集功能，在一個姿態更新周期內，FPGA把光纖陀螺串行數據轉化為並行數據，對陀螺儀的輸出採樣(N+1)次，分別得到載體運動角速率?!>--?> ?N，其中N表示旋轉矢量子樣數； (12)利用數值積分方法對陀螺儀採樣值進行積分，一個姿態更新周期內陀螺儀角增量輸出Q大小為: 式中，
2.根據權利要求1所述的一種基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法，其特徵在於:所述步驟(13)中，高動態環境下，利用角速率矢量叉乘項補償圓錐誤差對姿態解算精度的影響。
3.根據權利要求1所述的一種基於角速率輸入的光纖陀螺慣導系統姿態優化方法，其特徵在於:所述步驟(13)中，對捷聯慣導姿態更新來說，標準圓錐運動是最惡劣的工作環境，會誘發數學平臺的嚴重漂移，以標準圓錐運動為算法優化準則，並利用泰勒級數展開對旋轉矢量算法進行優化，得到最優圓錐誤差補償係數Ki和G。
【文檔編號】G01C21/16GK103712623SQ201410023748
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】程向紅, 胡杰, 馮驥 申請人:東南大學