專利名稱：一種撓性陀螺位置姿態測量系統pos的標度因數誤差標定與補償方法
技術領域：
本發明涉及一種撓性陀螺位置姿態測量系統(Position and OrientationSystem, POS)的標度因數誤差標定與補償方法，可用于精確補償撓性陀螺POS角速度通道中的標度因數誤差，屬于航空遙感直接地理測量技術領域。
背景技術：
POS是一種精確測量位置、速度和姿態的慣性/衛星組合測量系統，它與航空遙感載荷緊密固連，為載荷數據處理提供高精度的運動補償信息。撓性陀螺由于體積、重量、精度、技術成熟度和可靠性等多方面的優勢，適于構建 小型化的POS系統，應用于輕小型航空遙感。基于撓性陀螺的POS主要由撓性陀螺慣性測量單兀(Inertial Measurement Unit, IMU)、P0S計算機系統(POS Computer System, PCS)、全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)接收機及后處理軟件組成。其中撓性陀螺MU主要由撓性陀螺儀組件、石英撓性加速度計及相關電路組成。MU是POS的核心部件，其精度直接決定了系統的測量精度，因此必須通過標定試驗確定MU各項誤差系數，并在數據處理時進行補償。大量實驗表明，撓性陀螺IMU的各項誤差系數并不是固定不變的，尤其是角速度通道的標度因數，隨著飛機機動等導致的外部力學環境變化，會隨之發生明顯變化，產生不可忽略的標度因數誤差，直接影響POS的姿態測量精度。POS相較于傳統的組合導航系統一個明顯的不同之處是，遙感載荷通常與IMU剛性固連，然后共同安裝在慣性穩定平臺上，平臺固定于機艙底板。在遙感作業時，飛機進入測繪區域做直線飛行運動，慣性穩定平臺將這期間低頻的較劇烈的機體振動隔離掉并保持載荷的姿態水平，而POS用來測量平臺隔振后那些仍然干擾到遙感載荷的細微運動信息。因而，若實現POS高精度測量運動信息的要求，應重點關注IMU中陀螺對小角速率范圍內角速度信息的實時高精度測量，因此必須標定和補償MU標度因數誤差。常用的MU標定方法是多位置混合標定法，該方法將角速度通道的標度因數視為常值進行標定，使用該方法得到的標定系數，會導致補償后的系統角速度測量誤差增大，降低了 POS姿態測量精度，影響了 POS測量性能。申請號200510086791. 5，發明名稱“一種消除陀螺常值漂移影響的慣性測量單元混合標定方法”公開了進行IMU誤差的靜態多位置和動態混合標定方法，但是該方法直接將標度因數的變化規律視為一條二次曲線，沒有根據撓性陀螺的具體特性再進行相應的線性擬合分析，這會導致標度因數變化曲線擬合的不準確而引入額外的擬合誤差。2009年《導航與控制》期刊刊登的王愛華等所撰論文“捷聯慣性測量系統中陀螺儀線性度分段補償方法研究”，重點關注了陀螺標度因數誤差分段補償方法，根據標度因數變化將整個MU速率測量范圍分為多個近似線性段，且每個線性段進行一次擬合解算出標度因數。該方法沒有實現對撓性陀螺在小速率范圍內的標度因數“雙曲線”變化規律進行細致分析，仍然會有較大的量化誤差，導致撓性陀螺標度因數誤差補償效果有限。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有撓性陀螺IMU誤差標定與補償方法的不足，根據誤差變化規律提出一種標度因數誤差標定與補償方法，實現角速度通道標度因數誤差的精確標定與補償，提高POS的姿態測量精度。本發明的技術解決方案為一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法，其特點在于包括下列步驟(I)調平轉臺，將MU安裝于基準面或通過工裝架與轉臺固定，建立基準傳遞關系。使POS處于恒溫環境中，上電完成預熱后開 始數據采集。(2)進行位置測試。通過調整轉臺依次使IMU的i軸(i = X、Y、Z)作為測試軸垂直于當地水平面指天、指地。在6個測試狀態下，確定位置測試的數據采集方案。(3)將X軸作為測試軸分別指天、指地，得到相應的位置測試數據。(4)將Y軸作為測試軸分別指天、指地，得到相應的位置測試數據。(5)將Z軸作為測試軸分別指天、指地，得到相應的位置測試數據。(6)進行速率測試。將IMU的X軸指天，轉臺以一組確定的角速率測試檔分別正、負旋轉一周，得到相應的速率測試數據。(7)將IMU的Y軸指天，轉臺以一組確定的角速率測試檔分別正、負旋轉一周，得到相應的速率測試數據。(8)將MU的Z軸指天，轉臺以一組確定的角速率測試檔分別正、負旋轉一周，得到相應的速率測試數據。(9)處理步驟(6)至(8)的速率數據，分別計算每個角速率對應的正標度因數和負標度因數。根據標度因數與輸入角速率的“雙曲線”關系，建立兩者的線性回歸方程，并計算回歸系數。(10)建立用于誤差補償的系統誤差模型方程。(11)將原始數據代入“雙曲線”方程，迭出對應的精確的標度因數。(12)處理步驟(3)至(4)得到的位置測試數據，求出步驟(10)方程中的常值誤差。(13)利用步驟(9)與(11)的標度因數計算結果，求出步驟(10)方程中的安裝誤差。(14)利用步驟(9)、(12)和(13)解算結果，求出步驟(10)方程中的與加速度有關項。( 15)根據步驟(10)誤差模型，利用步驟(11)至(14)求解的誤差模型系數，對原始數據進行精確的誤差補償。本發明的原理是撓性陀螺IMU的常值漂移、標度因數等誤差系數并不是固定不變的，尤其是角速度通道標度因數，受外界環境力學因素影響明顯，隨著輸入IMU的角速度變化而變化。這導致角速度不能完成誤差精確補償，含有極大的標度因數誤差。本發明提出一種基于位置速率標定的撓性陀螺POS標度因數誤差標定與補償方法，將角速度通道標度因數按輸入角速度正負分為兩類誤差系數。在誤差標定時，對IMU每個測量軸進行多組正負旋轉的速率實驗時，由于撓性陀螺自身的特點，在小角速率范圍內角速度通道標度因數與輸入角速度呈規律的“雙曲線”關系。本發明利用此發現建立標度因數與輸入角速度精確的回歸方程。在誤差補償時，將脈沖形式的原始值代入回歸方程，通過多次迭代得到待補償輸入角速度對應的精確的標度因數，同時在此基礎上更新其余誤差系數，從而實現IMU誤差的高精度補償，提高POS角速度測量精度。本發明與現有技術相比的優點在于(I)本發明改進了撓性IMU的標度因數誤差標定方法，細化了對小輸入角速度下 標度因數的標定，按照發現的撓性陀螺“雙曲線”規律建立標度因數與輸入角速度的線性回歸方程。(2)本發明改進了 IMU的標度因數誤差補償方法。利用原始數據，通過建立的回歸方程反復迭代得到精確的標度因數，進而，在此基礎上提高了 IMU的誤差補償精度。
圖I為撓性陀螺POS組成框圖；圖2為本發明提出的標度因數誤差標定與補償方法流程圖；圖3為利用本發明所述方法與常規方法分別進行誤差補償后的POS航向角相對誤差對比圖。
具體實施例方式圖I為基于撓性陀螺的POS組成，主要由撓性陀螺IMU、PCS、GPS接收機和后處理軟件組成。IMU由撓性陀螺、石英撓性加速度計組成，用來測量角速度和加速度，是POS的核心部件，其精度直接決定了 POS測量的精度。PCS將慣性測量單元輸出的原始數據進行誤差補償，進而解算出位置、速度和姿態信息。標定實驗時，將POS的IMU通過工裝架固定于轉臺框架內，而PCS等其余部分可固定于轉臺之外。本發明包括基于轉臺的標定實驗與數據處理兩部分。MU敏感到的角速度正負由右手定則確定。本發明的標定實驗設備可以是三軸位置速率轉臺，也可以是單軸位置速率轉臺配合六面體工裝架。標定實驗準備工作還包括在室內一個標準大氣壓環境下，相對濕度20% 80%，溫度15°C 30°C且保持±2°C相對穩定；轉臺安裝在獨立的水泥地基上，與周圍地面相隔至少I米深的溝壑；實驗室的電磁環境指標應符合相關測試規范的要求。若選用單軸轉臺，則對于六面體工裝架的每個基準傳遞面和轉臺的安裝平面，其加工垂直度、平面度和粗糙度等均應符合相關加工測試規范要求；六面體工裝架應能使IMU固定于轉臺安裝面，同時保證MU基準與轉臺安裝面基準間的精確傳遞。如圖2所示，本發明的具體方法如下步驟I :開始標定實驗，調平三軸轉臺或單軸轉臺的安裝臺面，將POS的MU底面緊固于工裝過渡架，工裝架安裝于轉臺臺面上，保證頂U三個測量軸與三軸轉臺轉軸平行，或通過工裝架的基準面建立與單軸轉臺的機械傳遞關系。POS長時間置于恒溫環境中，使IMU內外實現溫度平衡。POS上電預熱，達到預熱時間后開始采集MU輸出數據；步驟2 :首先進行標定實驗IMU位置測試，采集位置數據。通過調整轉臺框架或工裝架使IMU的i軸(i = X、Y、Z)作為測試軸垂直于當地水平面指天或指地，作為一個位置狀態，共有X指天、X指地、Y指天、Y指地、Z指天、Z指地等6個位置狀態。本專利設從每個位置狀態采集4組位置數據，則首先從任意起始位置開始采集MU輸出數據130秒，然后轉臺沿一個方向旋轉90度到達下一個位置，IMU再次采集數據，依次類推，沿一個整圓周方向得到4組位置數據。由于設置6個測試狀態，每個測試狀態下進行4組位置實驗，所以共有24組位置數據。位置測試編排如下表。
權利要求
1.一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法，其特征在于包括下列步驟 步驟I :調平三軸轉臺或單軸轉臺的安裝臺面，將POS的MU部分緊固于工裝架，工裝架安裝于轉臺臺面上，保證頂U的X、Y、Z三個測量軸與三軸轉臺轉軸平行，或通過工裝架的基準面建立與單軸轉臺的機械傳遞關系，并使POS處于恒溫環境中，上電預熱后開始采集MU輸出數據； 步驟2 :進行標定實驗MU位置測試，通過調整轉臺框架或工裝架使IMU的i軸(i =X、Y、Z)分別作為測試軸垂直于當地水平面指天或指地，作為一個位置狀態，有X指天、X指地、Y指天、Y指地、Z指天、Z指地共6個位置狀態，設從每個位置狀態采集a組位置數據，其160中a > 4 ;首先從任意起始位置開始采集IMU輸出數據，然后轉臺沿一個方向旋轉# = ■^■a度后IMU再次采集數據，依次類推，沿一個整圓周方向共會得到a組位置數據，故標定實驗一共可以得到6a組位置測試數據； 步驟3 :調整IMU使其X軸指天，按照步驟2從任意起始位置開始采集IMU輸出數據，旋轉9度，到達下一個位置，再次進行位置數據采集，共得a組位置數據N1, N2，…，Na，將X軸指地，得到a組數據Na+1，Na+2,…，N2a,完成X軸位置測試； 步驟4 :將IMU的Y軸作為測試軸，重復步驟3的實驗操作，將Y軸指天，得到a組數據N2a+1, N2a+2,…，N3a，將Y軸指地，得到a組數據N3a+1，N3a+2,…，N4a，完成Y軸位置測試； 步驟5 :將IMU的Z軸作為測試軸，重復步驟3的實驗操作，將Z軸指天，得到a組數據N4a+1, N4a+2,…，N5a，將Z軸指地，得到a組數據N5a+1，N5a+2,…，N6a，完成Z軸位置測試； 步驟6 :進行標定實驗IMU速率測試，將IMU的X軸指天，按照從小到大順序，選取不大于20° /s的d個角速率co1，《2，…作為測試檔，其中d彡5，轉臺按照選取的角速率分別沿圓周正向旋轉一周，采集MU輸出，得到d組數據然后MU以相同的角速率分別沿圓周負向旋轉一周，采集MU輸出，得到對應的d組數據…完成X軸速率測試；步驟7 :將IMU的Y軸指天，重復步驟6，得到IMU繞圓周正向旋轉時采集的d組數據…5i^+和繞圓周負向旋轉時采集的d組數據黃K—，…,完成Y軸速率測試；步驟8 :將IMU的Z軸指天，重復步驟6，得到IMU繞圓周正向旋轉時采集的d組數據和繞圓周負向旋轉時采集的d組數據 完成Z軸速率測試； 步驟9 :利用步驟6至步驟8采集的速率數據解算標度因數，對POS輸入第I組角速度Co1時，MU的i (i = X，Y，Z)軸標度因數分量可以寫為
2.根據權利要求I所述的一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法，其特征在于所述步驟9的回歸方程系數的具體求解方法為 對POS中i (i = X，Y，Z)軸，依次分別計算其在速率測試檔co1，《2，…《d下的正標度因數尺…夏i+與負標度因數，然后計算回歸方程系數 正標度因數對應
3.根據權利要求I所述的一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法，其特征在于所述步驟11中的標度因數的計算方法為 步驟a :設定POS所使用陀螺的標稱標度因數，作為迭代用標度因數Jl的初始值。將i軸單位時間內測量的角速度通道脈沖總數N除以f，得到一個初始的角速度值沿
4.根據權利要求I所述的一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法，其特征在于所述步驟15中的誤差補償方法為 利用輸入加速度在三軸的投影分量Ax，Ay, Az和步驟11至步驟14得到的誤差模型系數常值偏差、安裝誤差和與加速度有關項，對IMU三個角速度通道輸出的脈沖值進行補償，記 > 0時對應的輸出脈沖為Nx+，Ny+, Nz+, Co < 0時為Nx_，Ny_，Nz_， 令安裝誤差矩陣為
全文摘要
本發明涉及一種撓性陀螺位置姿態測量系統POS的標度因數誤差標定與補償方法。根據POS使用環境特點，慣性測量單元IMU需要精確測量微小的輸入角速度。本發明特征是在誤差標定過程中，在小輸入角速率范圍內將IMU角速度通道標度因數根據輸入角速度的正負建立兩者的線性回歸方程，在誤差補償時根據輸入角速度的變化同步更新標度因數及其它誤差系數，從而提高誤差補償的精度。本方法具有精確消除角速度通道標度因數誤差的優點，實現IMU對小角速度信息的精確測量，可以提高POS的姿態測量精度。
文檔編號G01C25/00GK102680004SQ20121017533
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者宮曉琳, 房建成, 李建利, 郭佳, 鐘麥英 申請人:北京航空航天大學