阮 衛(wèi), 張秦南, 迪玉茹, 國琳娜, 王立文

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一種慣性測量組合陀螺常值漂移外場標(biāo)定方法

阮 衛(wèi)1,2, 張秦南1, 迪玉茹1, 國琳娜1, 王立文1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710077)

針對慣性測量組合(IMU)外場標(biāo)定問題, 文中提出一種IMU陀螺常值漂移3位置外場標(biāo)定方法。在靜基座條件下, 先利用二次對準(zhǔn)技術(shù)測出產(chǎn)品的姿態(tài)角, 再利用卡爾曼濾波估計(jì)北向陀螺漂移, 結(jié)合3個(gè)位置的姿態(tài)角和北向陀螺漂移, 再利用最小二乘法對陀螺漂移進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明, 該標(biāo)定方法簡單易行, 無需轉(zhuǎn)臺(tái), 能夠?qū)ν勇莩Ｖ灯七M(jìn)行有效估計(jì)。

慣性測量組合; 標(biāo)定; 卡爾曼濾波; 陀螺常值漂移

0 引言

慣性測量組合(inertial measuring unit, IMU)參數(shù)估計(jì)與補(bǔ)償對提高慣性導(dǎo)航精度具有重要意義[1], 因此需要對IMU進(jìn)行標(biāo)定以保證其滿足使用要求。然而, 隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的變化[2], 以及IMU中電子元器件的老化, 相關(guān)參數(shù)必然發(fā)生變化, 從而導(dǎo)致IMU指標(biāo)超差, 無法滿足對準(zhǔn)和導(dǎo)航的使用要求。

陀螺常值漂移是IMU主要性能指標(biāo), 實(shí)航中航姿角的精度主要取決于陀螺常值漂移。文獻(xiàn)[3]提出一種雙位置陀螺常值漂移估計(jì)方法, 將加速度作為量測, 設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器估計(jì)陀螺常值漂移, 但需要較高精度轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[4]提出一種整彈不開箱條件下IMU 7位置標(biāo)定方案, 通過俯仰30°等7個(gè)小姿態(tài)特殊位置進(jìn)行組件級標(biāo)定, 但同樣要求轉(zhuǎn)臺(tái)精度小于1°, 不適用于沒有精密轉(zhuǎn)臺(tái)的現(xiàn)場標(biāo)定。文獻(xiàn)[5]由線性系統(tǒng)理論得出, 靜止?fàn)顟B(tài)下慣導(dǎo)系統(tǒng)有6個(gè)狀態(tài)變量是不可觀測的。文獻(xiàn)[6]在研究車載IMU免拆卸標(biāo)定方案中, 證明陀螺常值漂移和水平加速度計(jì)零偏是可觀測的。文獻(xiàn)[7]提出二次對準(zhǔn)技術(shù), 對姿態(tài)矩陣連續(xù)進(jìn)行2次修正, 可以解決現(xiàn)場存在的大失準(zhǔn)角問題。

通過對上述文獻(xiàn)的分析和研究, 文中提出一種IMU簡易3位置標(biāo)定方法, 并進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。該方法現(xiàn)場僅需指北基準(zhǔn)且允許指北基準(zhǔn)存在較大的誤差。

1 理論分析

文中導(dǎo)航坐標(biāo)系選取北天東, 機(jī)體坐標(biāo)系選取前上右, 靜基座條件下慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程為

2 數(shù)學(xué)模型建立

3 數(shù)學(xué)仿真

建立卡爾曼濾波方程

量測方程為

圖1 3位置標(biāo)定方案

IMU在位置1大概水平指北位置靜止300 s生成數(shù)據(jù); 然后大概偏航90°到位置2靜止300 s;在位置2的基礎(chǔ)大概橫滾20°到位置3靜止300 s。3個(gè)位置姿態(tài)角真實(shí)值如表1所示。

表1 3位置姿態(tài)角設(shè)置

按照編排方案生成陀螺儀和加速度計(jì)輸出如圖2和圖3所示。

圖2 陀螺儀仿真數(shù)據(jù)

圖3 加速度計(jì)仿真數(shù)據(jù)

表2 3位置姿態(tài)角計(jì)算值

二次對準(zhǔn)完成后對每個(gè)位置的北向陀螺漂移進(jìn)行估計(jì), 結(jié)果如圖4所示。

每個(gè)位置具體北向陀螺漂移估計(jì)值如表3所示。

由表4可以看出, 在考慮最大5°航向角誤差的情況下, 陀螺常值漂移最大絕對誤差為0.06°/h, 可以滿足低等精度IMU(陀螺漂移為1~10°/h)的標(biāo)定要求, 從而驗(yàn)證3位置標(biāo)定方案的正確性。

圖4 3位置北向陀螺常值漂移估計(jì)曲線

表3 3位置北向陀螺常值漂移估計(jì)值

表4 陀螺常值漂移估計(jì)值與真實(shí)值對比

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)場指北基準(zhǔn)可能存在較大誤差的問題, 文中提出一種IMU簡易3位置標(biāo)定方案, 在每一位置先利用二次對準(zhǔn)技術(shù)對姿態(tài)矩陣進(jìn)行精確修正, 再對北向陀螺漂移進(jìn)行估計(jì), 最后結(jié)合最小二乘法完成對陀螺漂移的求解。3位置標(biāo)定方案與傳統(tǒng)方法相比, 步驟簡單、標(biāo)定成本低, 具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值, 可為IMU免拆卸標(biāo)定提供研究思路。

[1] 楊曉霞, 黃一. 利用ESO和TD進(jìn)行的激光捷聯(lián)慣組誤差參數(shù)外場標(biāo)定方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 18 (1): 1-9.Yang Xiao-xia, Huang Yi. Application of ESO and TD to Outer Field Calibration of Laser Gyro SINS[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2010, 18(1): 1-9.

[2] 吳平, 雷虎民, 邵磊, 等. 一種車載筒彈慣導(dǎo)裝置不開箱標(biāo)定方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 18(1): 28-32. Wu Ping, Lei Hu-min, Shao Lei, et al. Calibration without Opening Box for Vehicle Silo Missile’s Inertia Instrument[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2010, 18(1): 28-32.

[3] 徐曉蘇, 萬德鈞. 船用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)及對陀螺儀隨機(jī)常值漂移估計(jì)方法的研究[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 1990(2): 17-24.Xu Xiao-su, Wan De-jun. A Study of The Methods of Initial Alignment and Estimation of Gyro’s Random Constant Drifts in Marine SINS[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 1990(2): 17-24.

[4] 馮志剛, 鄒穎. 整彈不開箱的慣性系統(tǒng)射前小姿態(tài)標(biāo)定方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 17(1): 33-36, 41.Feng Zhi-gang, Zou Ying. Method of Small Gesture Calibration for Inertial Measurement Units without Opening Box Pre-Launch[J]. Journal of Chinese Inertial Techno- logy, 2009, 17(1): 33-36, 41.

[5] Saab S, Gunnarsson K T. Automatic Alignment and Calibration of an Inertial System[C]//Position Location and Navigation Symposium. Las Vegas, NV, USA: IEEE, 1994.

[6] 趙曉偉, 孫謙. 一種車載激光捷聯(lián)慣組免拆卸標(biāo)定方法[J]. 導(dǎo)航與控制, 2016, 15(1): 17-22.Zhao Xiao-wei, Sun Qian. A Free Disassembly Calibration Method for Strapdown Inertial Navigation System Based on the Vehicle[J]. Navigation and Control, 2016, 15(1): 17-22.

[7] 張秦南. 快速高精度的二次對準(zhǔn)技術(shù)研究[J]. 魚雷技術(shù), 2001, 9(3): 33-36.

An Outer Field Calibration Method of IMU Gyro Constant Drift

RUAN Wei1,2, ZHANG Qin-nan1, DI Yu-ru1, GUO Lin-na1, WANG Li-wen1

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710077, China)

To solve the problem of inertial measuring unit(IMU) gyro constant drift in outer field calibration, a three-position outer field calibration method of IMU gyro constant drift is proposed. Under the static pedestal condition, the attitude angles of the product are measured by the secondary alignment technique, and then the north gyro drift is estimated by Kalman filter. Finally, the gyro drift is solved by the least squares method via combining the attitude angles of the three positions with the north gyro drift. Simulation results show that this method can estimate gyro constant drift effectively without using turntable.

inertial measuring unit(IMU); calibration; Kalman filter; gyro constant drift

TJ630.33; U666.12

A

2096-3920(2019)04-0442-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.012

阮衛(wèi), 張秦南, 迪玉茹, 等. 一種慣性測量組合陀螺常值漂移外場標(biāo)定方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(4): 442-445.

2018-12-04;

2019-03-21.

阮 衛(wèi)(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲗?dǎo)航與控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)