專利名稱：一種單軸旋轉調制微機械慣導方法
技術領域：
本發明屬于慣性導航技術領域，具體涉及一種單軸旋轉微機械慣導方法。
背景技術：
微機械陀螺有可靠性高、環境適應性強、體積小、成本低等優點，但是其精度偏低，一般只能與衛星導航系統組成組合導航系統使用，而純慣性導航精度很差。目前，典型的石英音叉陀螺的常溫零偏穩定性可達10° /h，全溫范圍內為50° /h，導航IOmin的定位誤差可達20nmile以上,不能高精度導航的需要。但是，石英音叉陀螺的噪聲較小，目前可達0.5° /sqrt(h)，若能通過某種方法抑制緩慢變化的陀螺漂移的影響，則有可能將陀螺等效精度提高到2。/h以內，實現高精度導航的應用。
發明內容
本發明的目的是利用低成本旋轉機構對微機械陀螺漂移進行調制并提高慣導系統的純慣性導航精度，提供一種單軸旋轉調制微機械慣導方法。本發明所采用的技術方案是一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，包括如下步驟步驟(SI)構建單軸旋轉機構，所述單軸旋轉機構包括一個由驅動裝置驅動的軸，軸帶動安裝平臺轉動，安裝平臺可用于安裝慣性測量單元；步驟(S2)初始對準，得到初始姿態矩陣的誤差；步驟(S3)慣性測量單元導航計算利用加速度計和陀螺的輸入，進行導航計算，輸出位置、速度和航姿角信息；并利用測角機構測量旋轉軸旋轉的角度，將慣性測量單元解算的姿態矩陣進行轉換，得到運載體坐標系內的姿態矩陣。如上所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其中所述初始對準的具體步驟如下(S2. I)使旋轉機構靜止，對系統方位角、姿態角、速度、位置進行初始裝訂；(S2. 2)啟動旋轉機構，使慣性測量單元以一定的角速度繞方位軸往復整周旋轉；(S2. 3)水平精對準以速度誤差為觀測量，采用卡爾曼濾波器方法進行水平精對準；(S2.4)在精對準過程中，利用測角機構實時得到IMU繞方位軸旋轉的角度，再通過初始裝訂的方位角度與實時旋轉的角度相減得到IMU的實時方位角。如上所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其中所述單軸旋轉機構與慣性測量單元之間采用單端支撐方式，且采用密珠軸系或高精度雙列角接觸軸承。如上所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其中所述步驟(S2. 2)中，慣性測量單元以30° /s的角速度在
通過采用單軸旋轉調制方法來設計微機械慣導系統，抑制陀螺漂移對導航誤差的影響，大大提高了導航精度，降低了慣導系統成本，并縮小了慣導系統體積。石英音叉陀螺噪聲比較小，其隨機游走系數可達0.5° /sqrt(h)，通過采用本發明提供的旋轉調制方法，能夠將零偏穩定性為10 50° /h的陀螺等效精度提高到約1.6° /h，在此條件下進行慣性導航，可以實現2nmile/10min的導航精度，可以滿足實際應用的需求。
圖I是單軸旋轉機構及其與慣導系統的安裝關系示意圖；圖2是未采用本方法的某微機械慣 導中三個軸的石英音叉陀螺漂移；圖3是水平兩個陀螺經過本方法旋轉調制后的等效陀螺漂移；圖4是未采用本方法得到的姿態誤差角；圖5是采用本方法旋轉調制后的姿態誤差角；圖6是采用本方法旋轉調制后的導航位置誤差；圖中，I.旋轉機構，2.慣性測量單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明提供的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法進行介紹(SI)構建單軸旋轉機構如圖I所示，單軸旋轉機構I包括一個由驅動裝置驅動的軸，軸帶動安裝平臺轉動，安裝平臺可用于安裝慣性測量單元2 (MU)。采用密珠軸系或高精度雙列角接觸軸承；單軸旋轉機構與慣性測量單元之間采用單端支撐方式，即慣性測量單元直接安裝在旋轉機構表面；若采用密珠軸系而不是雙端支撐的軸承，可以大大降低旋轉機構的高度，從而實現小型化設計。為降低成本，慣性測量單元可采用微機械慣性器件，由于微機械慣導重量較輕，可以選擇輸出力矩較小的電機配以降低成本。(S2)初始對準，得到初始姿態矩陣的誤差受陀螺精度限制，系統方位對準精度通常只能達到10°，遠遠低于外部裝訂精度；因此，本方法在旋轉調制過程中實現水平自對準，采用外部裝訂方式對方位角進行初始化；初始對準具體步驟如下(S2.1)控制旋轉機構處于0°位置(系統通電前MU方位軸所指向的位置為0° )，對系統方位角、姿態角、速度、位置進行初始裝訂；(S2. 2)啟動旋轉機構，使IMU以一定的角速度繞方位軸往復整周旋轉；例如，以30° /s的角速度在
(S3)慣性測量單元導航計算完成初始對準后，利用加速度計和陀螺的輸入，按照標準捷聯慣導解算流程進行導航計算，輸出位置、速度和航姿角信息；并利用測角機構測量旋轉軸旋轉的角度，將慣性測量單元解算的姿態矩陣進行轉換，得到運載體坐標系內的姿態矩陣。試驗結果如圖2所示為某微機械慣導中三個軸的石英音叉陀螺的測試數據，橫軸表示時間，單位為100s，縱軸表示陀螺零偏穩定性，單位為。/h;測試時間長度為Ih;其IOs平均零偏穩定性分別為10. 1° /h、8.2° /h、9.0° /h。圖3為水平兩個陀螺經過旋轉調制后的等效陀螺漂移，橫軸表示時間，單位為分鐘，縱軸表示等效陀螺漂移，單位為。/h ；可見，經旋轉調制之后，10° /h的陀螺漂移經旋轉調制后等效精度優于2° /h圖4為調制前的姿態誤差角，圖5為調制后的姿態誤差角，兩圖橫軸為時間，單位為秒，縱軸為誤差角單位為角秒(")。可見，經過旋轉調制，Ih內姿態角誤差可控制在6'。進行IOmin的純慣性導航，位置誤差如圖6所示，可見，經過旋轉調制，IOmin純慣性導航位置誤差小于2nmile。綜上，通過該方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系統純慣性導航精度提高到2nmile/10min，滿足高精度導航需求。
權利要求
1.一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，包括如下步驟 步驟(Si)構建單軸旋轉機構，所述單軸旋轉機構包括一個由驅動裝置驅動的軸，軸帶動安裝平臺轉動，安裝平臺用于安裝慣性測量單元； 步驟(S2)初始對準，得到初始姿態矩陣的誤差； 步驟(S3)慣性測量單元導航計算利用加速度計和陀螺的輸入，進行導航計算，輸出位置、速度和航姿角信息；并利用測角機構測量旋轉軸旋轉的角度，將慣性測量單元解算的姿態矩陣進行轉換，得到運載體坐標系內的姿態矩陣。
2.根據權利要求I所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其特征在于所述初始對準的具體步驟如下 (S2. I)使旋轉機構靜止，對系統方位角、姿態角、速度、位置進行初始裝訂； (S2. 2)啟動旋轉機構，使慣性測量單元以一定的角速度繞方位軸往復整周旋轉； (S2. 3)水平精對準以速度誤差為觀測量，采用卡爾曼濾波器方法進行水平對準； (S2. 4)在精對準過程中，利用測角機構實時得到IMU繞方位軸旋轉的角度，再通過初始裝訂的方位角度與實時旋轉的角度相減得到IMU的實時方位角。
3.根據權利要求2所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其特征在于所述單軸旋轉機構與慣性測量單元之間采用單端支撐方式，且采用密珠軸系或高精度雙列角接觸軸承。
4.根據權利要求3所述的一種單軸旋轉調制微機械慣導方法，其特征在于所述步驟(S2. 2)中，慣性測量單元以30° /s的角速度在[0°，360° )之間勻速往復旋轉。
全文摘要
本發明屬于慣性導航技術領域，具體涉及一種單軸旋轉微機械慣導方法。目的是利用低成本旋轉機構對微機械陀螺漂移進行調制并提高慣導系統的純慣性導航精度。該方法包括構建單軸旋轉機構的步驟，單軸旋轉機構包括一個由驅動裝置驅動的軸，軸帶動安裝平臺轉動，安裝平臺可用于安裝慣性測量單元；還包括初始對準步驟以及導航計算步驟，得到運載體坐標系內的姿態矩陣。通過該方法，可以大大提高石英音叉陀螺的等效精度，使系統純慣性導航精度提高到2nmile/10min，滿足高精度導航需求。
文檔編號G01C21/16GK102620734SQ20121010259
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者唐彥, 張偉, 徐海剛, 李延, 熊建瓊, 王婷, 黃妍妍 申請人:北京自動化控制設備研究所