基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法
【專利摘要】本發明公開了基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，該方法利用位置環境函數建立遙外測誤差和誤差系數的關系，并對加速度計誤差系數進行標定。該方法適合于已知載體姿態時加速度計誤差系數的分離和標定，尤其是對火箭橇試驗結果進行分析。此外，該方法使用位置值作為外測量，提高了所標定誤差系數的置信度。
【專利說明】基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種加速度計標定方法，尤其涉及一種基于火箭橇試驗的慣性測量系 統加速度計誤差系數標定方法，屬于數據處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 在捷聯慣性組合使用前，需要對加速度計一些主要的誤差系數進行標定，例如標 度系數、零值偏差、安裝誤差角等。通常標定均是使用轉臺或大理石平板進行，所以受到地 球重力場的約束，即加速度計敏感到的加速度最大不超過測試地點的重力加速度。在這種 情況下無法有效標定出捷聯慣性組合加速度計的高階誤差項，同時因為高階誤差項的存 在，標定出的低階誤差項具有一定的誤差。這種誤差在慣性導航的載體作大加速度運動時， 會導致較大的測量誤差，造成導航精度的降低。為了進行高精度的慣性導航運算，需要分離 和標定高階誤差項，并對傳統方法標定出的低階誤差進行修正。
[0003] 因為標定高階誤差項需要向慣性測量系統輸入較大的加速度數值，而這在一般試 驗情況下均無法滿足，所以目前并沒有有效的慣性測量系統高階誤差系數標定方法。
[0004] 為了提供標定高階誤差項所需的加速度，選用火箭橇試驗方法對此條件進行滿 足。火箭橇試驗的顯著特點是可無損回收被測試慣性測量裝置，供進一步測量、檢查及繼續 進行試驗。高精度的慣性測量裝置造價高，通過火箭橇試驗可重復進行多類多次的測試試 驗，包括環境適應性試驗和精度試驗，增加試驗樣本量，確保飛行試驗一次成功，減小飛行 試驗次數，降低試驗成本，加快研制周期。驗證慣性測量裝置動態性能及誤差分離的主要途 徑有火箭橇試驗、實彈飛行試驗、模擬飛行試驗、離心機試驗、振動試驗等。火箭橇試驗相對 于其他試驗途徑具有能提供最為精確地飛行條件下的動態特性和多次重復使用等無法替 代的優勢，是實現慣性測量裝置動態性能驗證的最佳途徑。
[0005] 通常的加速度計誤差系數標定方法采用固定外界輸入加速度的方法進行試驗，而 在火箭橇試驗中無法對慣性測量系統的實際運行加速度進行測量，只能夠測量速度和位 置。因為外界干擾和測量誤差的存在，速度的測量結果存在較大的誤差，無法獲得慣性測量 系統的精確速度。同樣采用環境函數法進行加速度計誤差系數標定時，選用速度作為外測 量比選用位置得到的誤差系數值較粗略，無法得到足夠高精度的標定結果。
[0006] 環境函數矩陣是用慣導系統的位置誤差、速度誤差及姿態角誤差對慣導工具誤差 系數進行求導計算后得到的系數矩陣。它代表了單位慣導工具誤差系數引起的位置、速度 及姿態角的誤差。通過環境函數矩陣建立遙外差與慣導系統工具誤差系數的函數關系，即 遙外差觀測方程，也叫環境函數方程。環境函數矩陣分析法是分離慣導系統工具誤差系統 的一種有效方法，使用這種方法得到誤差模型參數的計算量小、速度快。當遙外差選取為位 置信息時，方程為位置環境函數方程。
【發明內容】
[0007] 本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供基于火箭橇試驗的慣性測量 系統加速度計標定方法，從待估計的誤差系數中去除了不顯著項，并對顯著項進行了估計， 使用本方法精確地標定了加速度計的誤差系數。
[0008] 本發明的技術解決方案：一種火箭橇試驗加速度計誤差系數標定方法，步驟如 下：
[0009] (1)在火箭橇運行過程中，利用GPS對火箭橇橇體進行外測，得到每一時刻慣性測 量系統相對于初始時刻的實際位移；
[0010] (2)在火箭橇運行過程中，慣性測量系統實時采集自身的加速度和角速度，并根據 測得的加速度和角速度進行導航解算，得到每一時刻慣性測量系統相對于初始時刻的理論 位移以及火箭橇橇體坐標系到火箭橇軌道坐標系的姿態變換矩陣；所述火箭橇軌道坐標系 0XJA的原點為火箭橇軌道起始點，軸指向火箭橇橇體運動前進方向，（^軸朝上垂直 于軌道，軸在水平面內垂直于軌道，且三者滿足右手準則；火箭橇橇體坐標系ox bYbzb的 原點為橇體中心，〇xb軸指向運動方向，〇Z b軸指天，0Yb軸分別與oxb、ozb軸垂直，且滿足右 手準則；
[0011] (3)根據每一時刻慣性測量系統相對于初始時刻的實際位移與理論位移計算每一 時刻慣性測量系統的遙外測誤差；其中Ti時刻慣性測量系統的遙外測誤差為該時刻慣性 測量系統相對于初始時刻的實際位移與理論位移的差值，i e [1，n]，n為火箭橇試驗中的 外測采樣點數；
[0012] (4)利用每一時刻慣性測量系統的加速度和火箭橇橇體坐標系到火箭橇軌道坐標 系的姿態變換矩陣計算每一時刻的位置環境函數系數向量；
[0013] (5)根據慣性測量系統加速度計待標定的誤差系數以及每一時刻慣性測量系統的 遙外測誤差和位置環境函數系數向量，建立位置環境函數方程S = ΑΧ，其中，S為位置誤差 向量，S=[ASi AS2? ASj'ASiSTi時刻和Tg時刻遙外測誤差的差值；X為待標定 的誤差系數組成的列向量；A為環境函數系數矩陣，
【權利要求】
1. 基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 在火箭橇運行過程中，利用GPS對火箭橇橇體進行外測，得到每一時刻慣性測量系 統相對于初始時刻的實際位移； (2) 在火箭橇運行過程中，慣性測量系統實時采集自身的加速度和角速度，并根據測 得的加速度和角速度進行導航解算，得到每一時刻慣性測量系統相對于初始時刻的理論位 移以及火箭橇橇體坐標系到火箭橇軌道坐標系的姿態變換矩陣；所述火箭橇軌道坐標系 OXJA的原點為火箭橇軌道起始點，軸指向火箭橇橇體運動前進方向，（^軸朝上垂直 于軌道，軸在水平面內垂直于軌道，且三者滿足右手準則；火箭橇橇體坐標系〇X bYbZb的 原點為橇體中心，〇xb軸指向運動方向，〇Z b軸指天，0Yb軸分別與oxb、ozb軸垂直，且滿足右 手準則； (3) 根據每一時刻慣性測量系統相對于初始時刻的實際位移與理論位移計算每一時刻 慣性測量系統的遙外測誤差；其中?\時刻慣性測量系統的遙外測誤差為該時刻慣性測量系 統相對于初始時刻的實際位移與理論位移的差值，i e [1，n]，n為火箭橇試驗中的外測采 樣點數； (4) 利用每一時刻慣性測量系統的加速度和火箭橇橇體坐標系到火箭橇軌道坐標系的 姿態變換矩陣計算每一時刻的位置環境函數系數向量； (5) 根據慣性測量系統加速度計待標定的誤差系數以及每一時刻慣性測量系統的遙外 測誤差和位置環境函數系數向量，建立位置環境函數方程S = ΑΧ，其中，S為位置誤差向量， S=[ASi AS2…ASn]T，ASiSTi時刻和Τη時刻遙外測誤差的差值；X為待標定的誤 差系數組成的列向量;Α為環境函數系數矩卩
A' i為按照待標定的誤差系數 WAi中選取對應項組成的行向量，Ai為?\時刻的位置環境函數系數向量； (6) 對步驟（5)的位置環境函數方程進行顯著性檢驗，當該位置環境函數方程不顯著 時，待標定的誤差系數均為零，標定結束；當該位置環境函數方程顯著時，使用最小二乘法 對待標定的誤差系數進行估計，進入步驟（7); (7) 對步驟（6)中經過估計的每個誤差系數進行顯著性檢驗，當所有待標定誤差系數 全顯著時，誤差系數估計值即為待標定的誤差系數值，標定結束；當所有待標定誤差系數不 全顯著時，去除最不顯著的誤差系數，進行步驟（5)，直到標定結束。
2. 根據權利要求1所述的基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，其特征 在于：所述步驟（4)的實現方式為： 利用如下公式計算某時刻的位置環境函數系數向量&:
其中，Ai中每行對應的誤差系數依次為：加速度計零值偏差測量誤差足^、標度因數測 量誤差 <、標度因數不對稱性相對誤差測量誤差液丨、二次項誤差系數K2、奇二次項系數 誤差δΓ 2、三次項誤差系數Κ3、交叉耦合項系數Κ12和K13;Ri為該時刻火箭橇橇體坐標 系到火箭橇軌道坐標系的姿態變換矩陣；％、a2、a3為該時刻慣性測量系統測量到的三個方 向的加速度，其中％為該時刻慣性測量系統在火箭橇橇體坐標系中沿0X b軸方向的加速度， a2、a3分別為該時刻慣性測量系統在火箭橇橇體坐標系中沿0Yb軸、0Z b軸方向的加速度。
3. 根據權利要求1所述的基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，其特征 在于：所述步驟￠)中對位置環境函數方程進行顯著性檢驗的實現方式為： (3. 1)利用如下公式計算位置環境函數方程的顯著性數值匕
其中，U = ，且Φ = ATA ;P = STS-U ;m為待估計的誤差系數的個數； (3. 2)將FQ值與FQ.99(m，n-m-1)進行比較，當FQ彡F Q.99(m，n-m-1)時，位置環境函數方 程顯著；當時，位置環境函數方程不顯著； 其中，Fa99(m，n-m-1)為顯著性水平為0. 01服從自由度為m和n-m-1的F分布函數值。
4. 根據權利要求1所述的基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，其特征 在于：所述步驟（6)中使用最小二乘法對待標定的誤差系數進行估計的公式為： X = (ATA"ATS。
5. 根據權利要求1所述的基于火箭橇試驗的慣性測量系統加速度計標定方法，其特征 在于：所述步驟（7)中對誤差系數進行顯著性檢驗的實現方式為： (5. 1)利用如下公式計算估計出的第j個誤差系數&的顯著性數值Fj :
其中，lj'j為Φ-1的第j行第j列的值，Φ = ATA，P = STS-U，U = SloH m為待估 計的誤差系數的個數，j e [l，m]。 (5.2)將？」值與匕99(1，1111-1)進行比較，當？」彡匕99(1，1111-1)時，誤差系數父」顯著 ； 當Ρ」〈Ρα99(1，η-πι-1)時，誤差系數X」不顯著； 其中，F(|.99(1, n-m-1)為顯著性水平為0. 01服從自由度為1和n-m-1的F分布函數值。
【文檔編號】G01P21/00GK104297525SQ201410521237
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】魏宗康, 劉璠 申請人:北京航天控制儀器研究所