一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法
2023-06-02 00:19:26 1
一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法
【專利摘要】本發明公開了一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，屬於慣性導航【技術領域】。該方法包括以下步驟：首先建立慣性傳感器的誤差模型，據此建立包含慣性傳感器誤差狀態量的卡爾曼濾波模型；隨後給出了慣性傳感器誤差的動態激勵方法；最後根據誤差動態激勵方法設計誤差辨識動態航跡，利用卡爾曼濾波對慣性傳感器誤差進行在線動態辨識。本方法能夠在飛行器的動態飛行過程中有效激勵慣性傳感器誤差，實現對慣性傳感器誤差的在線辨識，對提高慣性導航系統導航精度具有重要參考意義。
【專利說明】一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及慣性導航【技術領域】，尤其涉及一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線 動態辨識方法。
【背景技術】
[0002] 慣性導航系統具有測量動態範圍寬、線性度好、性能穩定、全天候導航等優點，在 當代導航領域具有不可替代性。隨著光學慣性器件的不斷發展和計算機技術水平的日益提 高，慣性導航系統正朝著高精度、高可靠性、低成本、小型化、數位化發展，應用已越來越廣 泛，但是慣性導航系統無論在元部件特性、算法原理、結構安裝或其他工程環節中都不可避 免地存在誤差，這些誤差影響著慣性導航系統的性能，其中，慣性傳感器（陀螺儀和加速度 計）的誤差是影響慣性導航系統精度的主要因素，因此研究慣導系統中慣性傳感器的誤差 參數動態辨識方法是十分必要的，它對提高慣性導航系統的導航精度十分有益。
[0003] 慣性導航系統慣性傳感器誤差的激勵效果直接影響到其在線標定與補償後的導 航精度和可靠性等綜合性能，是慣性導航系統慣性傳感器誤差參數辨識的前提。為此，在研 究慣性傳感器誤差參數動態辨識方法的同時，需要分析並確定引起慣性導航系統慣性傳感 器誤差的因素，探尋動態飛行機動方式與慣性導航系統慣性傳感器誤差之間的關聯規律， 設計合適的動態過程實現對傳感器誤差的有效激勵，以確保飛行器在動態飛行過程中，能 夠準確辨識出慣性導航系統慣性傳感器誤差。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】的缺陷，提出一種慣性導航系統慣性 傳感器誤差激勵及在線動態辨識方法，以有效補償慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和 隨機常值誤差，提高飛行器動態飛行過程中的對導航系統導航精度。
[0005] 本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
[0006] -種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1)，建立慣性傳感器的誤差模型，包括陀螺和加速度計的安裝誤差、刻度因子 誤差和隨機常值誤差；
[0008] 步驟2)，將慣性傳感器的安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差作為系統狀態 變量，構建基於慣性傳感器誤差模型的卡爾曼濾波模型；
[0009] 步驟3)，建立慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差的動態激勵方 法；
[0010] 步驟4)，設計慣性傳感器誤差在線辨識動態航跡；
[0011] 步驟5)，利用慣性傳感器誤差在線辨識動態航跡，對卡爾曼濾波模型的狀態方程 和量測方程進行離散化處理以及狀態量、量測量的更新，實現慣性導航系統慣性傳感器誤 差的在線動態辨識。
[0012] 作為本發明一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法進一步的優化 方案，步驟1)中所述陀螺的安裝誤差矩陣為
【權利要求】
1. 一種慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，其特徵在於，包括如下步 驟： 步驟1)，建立慣性傳感器的誤差模型，包括陀螺和加速度計的安裝誤差、刻度因子誤差 和隨機常值誤差； 步驟2)，將慣性傳感器的安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差作為系統狀態變量， 構建基於慣性傳感器誤差模型的卡爾曼濾波模型； 步驟3)，建立慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差的動態激勵方法； 步驟4)，設計慣性傳感器誤差在線辨識動態航跡； 步驟5)，利用慣性傳感器誤差在線辨識動態航跡，對卡爾曼濾波模型的狀態方程和量 測方程進行離散化處理以及狀態量、量測量的更新，實現慣性導航系統慣性傳感器誤差的 在線動態辨識。
2. 根據權利要求1所述的慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，其特徵在 於，步驟1)中所述陀螺的安裝誤差矩陣為
別為X軸、Y軸及Z軸陀螺安裝誤差； 所述陀螺的刻度因子誤差矩陣為
分 別為X軸、Y軸及Z軸陀螺刻度因子誤差； 所述陀螺的隨機常值誤差矩陣為
分別為X軸、 Y軸及Z軸陀螺隨機常值誤差； 所述加速度計的安裝誤差矩陣為
分別為 X軸、Y軸及Z軸加速度計安裝誤差； 所述加速度計的刻度因子誤差矩陣為s KA = diag[ δ ΚΑχ δ KAy δ ΚΑζ]，δ ΚΑχ、δ KAy、 s KAy分別為X軸、Y軸及z軸加速度計刻度因子誤差； 所述加速度計的隨機常值誤差矩陣為
分別 為X軸、Y軸及Z軸加速度計隨機常值誤差。
3. 根據權利要求2所述的慣性導航系統慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，其特徵在 於，步驟2)中所述系統狀態變量為：
其中，
分別為慣性導航系統中東向、北向和天向平臺誤差角狀態量； SvE，δνΝ，δνυ分別為慣性導航系統中東向、北向和天向速度誤差狀態量；SL，δ λ，Sh 分別為慣性導航系統中經度誤差、緯度誤差和高度誤差狀態量；ebx，eby，ebz分別為慣性 導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向陀螺的隨機常值誤差狀態量
分別為慣性 導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向加速度計的隨機常值誤差狀態量；δ Αχ，δ Ay，δ Az分別為 慣性導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向加速度計的安裝誤差狀態量；δ KAx，δ KAy，δ KAz分別 為慣性導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向加速度計的刻度因子誤差狀態量；δ Gx，δ Gy，δ Gz 分別為慣性導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向陀螺的安裝誤差狀態量；δ Kex，δ Key，δ Kte分 別為慣性導航系統中X軸、Y軸和Z軸方向陀螺的刻度因子誤差狀態量； 建立慣性導航系統卡爾曼濾波模型的誤差狀態方程為：
其中，X為系統狀態變量，i為狀態變量X的一階導數，F為系統矩陣，G為噪聲係數矩 陣，W為噪聲矩陣； 建立位置、速度、姿態全信息組合的卡爾曼濾波量測方程為：
其中，量測矩陣Η為
為位置量測矩陣，Ην為速度量測矩陣，Η 0為姿 態量測矩陣，量測噪聲陣
為位置量測噪聲矩陣，Vv為速度量測噪聲 矩陣，為姿態量測噪聲矩陣。
4.根據權利要求3所述的慣性導航系統中慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，其特徵 在於，步驟3)中所述慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差動態激勵方法的 具體步驟如下： 步驟3. 1)，建立慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差與激勵參數的關 系，誤差激勵參數由慣性傳感器的輸出和載體系到導航系的姿態轉換矩陣係數構成； 陀螺的輸出為
分別為陀螺X軸、Y軸和Z軸方向上 的輸出； 加速度計的輸出為分別為加速度計X軸、Y軸和Z軸方向上 的輸出；
選取"東北天"地理坐標系作為導航坐標系，載體坐標係為"右前上"，載體坐標繫到導 航坐標系的姿態轉換矩陣?：為：
其中，cn、c12、c13、c21、c 22、c23、c31、c32、c33為載體坐標繫到導航坐標系的姿態轉換矩陣 CT的各項係數，γ、Θ、Ψ分別為飛行器橫滾角、俯仰角和航向角； 步驟3. 2)，建立慣性傳感器輸出與飛行器基本機動方式的關係； 陀螺的輸出為：
其中，
為陀螺儀的理想輸出，表示載體坐標系相對地理坐標系 的角速度在載體坐標系上的分量，為地球自轉角速度在載體坐標系上的分量，辦1為地 理坐標系相對地球坐標系的角速度在載體坐標系上的分量； 加速度計的輸出為：
其中，
為加速度計的理想輸出，分別為飛行器在載體坐標系中 的運動速度和加速度，表示載體坐標系相對地理坐標系的角速度在載體坐標系上的分 量，為地球自轉角速度在載體坐標系上的分量，< 為地理坐標系相對地球坐標系的角 速度在載體坐標系上的分量，ct為導航坐標繫到載體坐標系的姿態轉換矩陣，gn= [0 0 _g]T為重力加速度在導航坐標系上的分量，g為重力加速度； 步驟3. 3)，建立慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差的激勵參數與飛 行器基本機動方式的關係，得到慣性傳感器安裝誤差、刻度因子誤差和隨機常值誤差的激 勵基本機動方式。
5.根據權利要求4所述的慣性導航系統中慣性傳感器誤差在線動態辨識方法，其特徵 在於，所述飛行器基本機動方式包括橫滾機動方式、俯仰機動方式、航向機動方式和勻速直 線機動方式，在橫滾、俯仰、航向和勻速機動方式下，飛行器基本參數為：
其中，Y、θ、ψ分別為飛行器橫滾角、俯仰角和航向角，j>、v>分別為飛行器橫滾角 速度、俯仰角速度和航向角速度，K為飛行器機頭速度；Vb、分別為飛行器在載體坐標 系中的運動速度和加速度。
【文檔編號】G01C25/00GK104215262SQ201410435922
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】柏青青, 熊智, 華冰, 邢麗, 王潔, 許建新, 劉建業, 孫永榮, 趙慧, 潘加亮, 程嬌嬌, 林愛軍, 施麗娟, 孔雪博, 戴怡潔 申請人:南京航空航天大學