CN102519458A - 一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法 - Google Patents

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律新伟
舒晓武
刘承
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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，包括以下步骤：采集并存储光纤陀螺输出的角速率数据和加速度计输出的比力数据；更新姿态矩阵；速度更新及划桨运动补偿，用三次抛物线分段拟合运载体的角速率和比力变化，直接利用光纤陀螺的角速率输出和加速度计的比力输出进行划桨运动补偿；运载***置更新。本发明提供的光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，分段拟合运载体的角速率和比力变化，并将划桨效应补偿项转换为角速率和比力表达的形式，避免角增量转换带来的精度损失，提高了基于光纤陀螺捷联惯导***性能。

Description

一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法
技术领域
本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法。
背景技术
导航精度是衡量导航***性能的重要指标。当在运载体的正交轴上进行等频率振荡和角振荡的组合运动即划桨运动时，如果不考虑在连续的比力矢量分解之间出现的快速姿态变化，就会引进加速度零偏，从而影响导航精度。
提高大动态、恶劣振动环境下的导航精度，需要进行划桨运动补偿。现有的划桨运动补偿方法利用角增量、或者同时利用角增量与角速率进行速度更新，将其与角增量输出形式的陀螺结合使用可以有效提高惯导***的导航精度。由于光纤陀螺本质上是一种角速率陀螺，应用角增量进行划桨运动补偿时需要将角速率转换为角增量，此转换过程会带来一定的精度损失，因而，为了提高导航精度，需要一种适用于光纤陀螺捷联惯导的划桨补偿方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，包括以下步骤：
1、光纤陀螺和加速度计捷联安装在惯导***中，组成惯性测量单元，以T s为采样周期，采集并存储光纤陀螺输出的角速率数据和加速度计输出的比力数据，得到角速率矢量                                                =[
Figure 788114DEST_PATH_IMAGE001
x   
Figure 217959DEST_PATH_IMAGE001
x   
Figure 505590DEST_PATH_IMAGE001
z ] T 和比力矢量 f =[f x   f y   f z ] T ，其中，
Figure 46292DEST_PATH_IMAGE001
x 为x光纤陀螺的输出，
Figure 752080DEST_PATH_IMAGE001
y 为y光纤陀螺的输出，
Figure 87247DEST_PATH_IMAGE001
z 为z光纤陀螺的输出, f x 为x加速度计的输出，f y 为y加速度计的输出，f z 为z加速度计的输出；
2、以T c为解算周期，更新姿态矩阵C；
3、以T c为解算周期，进行惯性导航速度更新及划桨运动补偿：用曲线拟合运载体的角速率和比力变化，得出角速率和比力表达的划桨运动补偿公式：
Figure 629217DEST_PATH_IMAGE002
；
再将角速率矢量
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 770349DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 579911DEST_PATH_IMAGE006
和比力矢量、
Figure 148295DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 177562DEST_PATH_IMAGE010
代入角速率和比力表达的划桨运动补偿公式，计算划桨运动补偿值，对步骤2得到的速度进行修正；
4、以T c为解算周期，进行运载***置更新。
进一步地，所述步骤3中，对运载体的角速率和比力变化采用三次抛物线分段拟合，速率和比力表达的划桨运动补偿公式中的
Figure 60068DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 412552DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 729001DEST_PATH_IMAGE005
、是速度更新周期
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE011
内光纤陀螺输出的4个等时间间隔的角速率矢量, 、
Figure 935489DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 783359DEST_PATH_IMAGE009
、速度更新周期内加速度计输出的4个等时间间隔的比力矢量，符号‘’表示矢量叉乘，
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE013
为速度更新的划桨运动补偿值。
本发明和现有技术相比的有益效果在于：本发明提供的光纤陀螺捷联惯导划桨效应补偿方法，分段拟合运载体的角速率和比力变化，并将划桨效应补偿项转换为角速率和比力表达的形式，避免角增量转换带来的精度损失，提高了基于光纤陀螺等速率陀螺的捷联惯导***性能。
附图说明
图1为本发明的光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法流程图；
图2为速度更新周期内角速率矢量和比力矢量采样时刻示意图；
图中，T  c为速度更新周期，
Figure 633875DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 918226DEST_PATH_IMAGE004
、、
Figure 155489DEST_PATH_IMAGE006
是速度更新周期
Figure 150121DEST_PATH_IMAGE011
内光纤陀螺输出的4个等时间间隔的角速率矢量, 
Figure 605373DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 567513DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 133624DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 481297DEST_PATH_IMAGE010
速度更新周期内加速度计输出的4个等时间间隔的比力矢量。
具体实施方式
惯性导航中的划桨运动是指在正交轴上进行的等频率线性振荡和角振荡的组合运动。如果不考虑在连续的比力分解之间出现的快速姿态变化，就会在第三轴上引起加速度零偏，从而带来导航误差，降低导航精度，因此，需要进行划桨运动补偿。划桨效应补偿项为
                                
Figure 107451DEST_PATH_IMAGE014
；
由于光纤陀螺和加速度计输出的是角速率信号和比力信号，所以无法直接应用上式计算划桨运动补偿项。用三次抛物线分段拟合运载体的角速率和比力变化，并将划桨效应补偿项转换为角速率和比力表达的形式，可提高划桨运动的补偿精度。
如图1所示，光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，包括如下步骤：
1、光纤陀螺和加速度计捷联安装在惯导***中，组成惯性测量单元，以T s=1ms为采样周期，采集并存储光纤陀螺输出的角速率数据和加速度计输出的比力数据，得到角速率矢量
Figure 556886DEST_PATH_IMAGE001
=[
Figure 661109DEST_PATH_IMAGE001
x   
Figure 817284DEST_PATH_IMAGE001
x  
Figure 427388DEST_PATH_IMAGE001
z ] T 和比力矢量 f  =[f x   f y   f z ] T ，其中， x 为x光纤陀螺的输出，
Figure 272033DEST_PATH_IMAGE001
y 为y光纤陀螺的输出，
Figure 282714DEST_PATH_IMAGE001
z 为z光纤陀螺的输出, f x 为x加速度计的输出，f y 为y加速度计的输出，f z 为z加速度计的输出。
如图2所示，上一时刻t m-1的角速率矢量和比力矢量为，t m-1+T s时刻的角速率矢量和比力矢量为，t m-1+2T s时刻的角速率矢量和比力矢量为
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE017
，t m 时刻的角速率矢量和比力矢量为
Figure 720703DEST_PATH_IMAGE018
。
2、以T c=3T s=3ms为解算周期，更新姿态矩阵C。
记地球半径为R，运载体高度为h，纬度为L，地球自转速率为Ω，上一时刻t m-1位置速率
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE019
。
计算地球自转速率的导航系投影
Figure 979778DEST_PATH_IMAGE020
：
                                          
计算姿态速率
Figure 172862DEST_PATH_IMAGE022
、、
Figure 623303DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE025
：
                                        
Figure 269048DEST_PATH_IMAGE026
计算旋转矢量
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE027
：
          
Figure 331813DEST_PATH_IMAGE028
；
计算姿态变化四元数 q ：
                                                 
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE029
式中，
Figure 379404DEST_PATH_IMAGE030
为旋转矢量
Figure 689162DEST_PATH_IMAGE027
的幅值。
更新姿态四元数 Q ：
                                                     
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE031
式中， Q m-1为上一时刻t m-1的姿态四元数，
Figure 71471DEST_PATH_IMAGE032
表示四元数乘法。
更新姿态矩阵C：
                     
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE033
3、以T c=3T s=3ms为解算周期，进行惯性导航速度更新及划桨运动补偿。
用三次抛物线分段拟合运载体的角速率和比力变化：
                                                         
Figure 187195DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为时间。
从而，得出角速率和比力表达的划桨运动补偿公式
                 
Figure 840024DEST_PATH_IMAGE036
将角速率矢量和比力矢量
Figure 320684DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 675442DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 532539DEST_PATH_IMAGE005
、和
Figure 189972DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 235288DEST_PATH_IMAGE008
、、
Figure 241607DEST_PATH_IMAGE010
代入角速率和比力表达的划桨运动补偿公式，计算划桨运动补偿值
Figure 329649DEST_PATH_IMAGE013
。同样的采样周期和解算周期条件下，采用原有的角增量形式划桨运动补偿公式，只能用二次抛物线分段拟合运载体的角速率和比力变化，并且需要进行角速率到角增量的转换，使得补偿精度有限，降低导航精度。
计算
                         
Figure DEST_PATH_IMAGE037
记速度矢量为 V = [V x  V x  V z ] T ，上一时刻t m-1的速度矢量为 V m-1，本次更新时刻t m 的速度矢量为 V ，当地重力加速度矢量的导航系投影为 g n =[0 0 -g] T ，当地重力加速度值为g，速度更新：
                      
Figure 409731DEST_PATH_IMAGE038
式中，C m-1表示上一时刻姿态矩阵。
4、以T c为解算周期，进行运载***置更新。
计算位置速率
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE039
：
                                          
更新位置矩阵D：
                                               
Figure 2011104213501100002DEST_PATH_IMAGE041
式中，D为上一时刻位置矩阵。
计算纬度L、经度l：
                                                  
Figure 385832DEST_PATH_IMAGE042
从而，确定运载***置。
本发明提供的光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，分段拟合运载体的角速率和比力变化，并将划桨效应补偿项转换为角速率和比力表达的形式，避免角增量转换带来的精度损失，提高了基于光纤陀螺等速率陀螺的捷联惯导***性能。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）光纤陀螺和加速度计捷联安装在惯导***中，组成惯性测量单元，以T s为采样周期，采集并存储光纤陀螺输出的角速率数据和加速度计输出的比力数据，得到角速率矢量                                                
Figure 286923DEST_PATH_IMAGE001
=[
Figure 204063DEST_PATH_IMAGE001
x   
Figure 921483DEST_PATH_IMAGE001
x   
Figure 316693DEST_PATH_IMAGE001
z ] T 和比力矢量 f =[f x   f y   f z ] T ，其中，
Figure 131065DEST_PATH_IMAGE001
x 为x光纤陀螺的输出，
Figure 891210DEST_PATH_IMAGE001
y 为y光纤陀螺的输出，
Figure 158244DEST_PATH_IMAGE001
z 为z光纤陀螺的输出, f x 为x加速度计的输出，f y 为y加速度计的输出，f z 为z加速度计的输出；
（2）以T c为解算周期，更新姿态矩阵C；
（3）以T c为解算周期，进行惯性导航速度更新及划桨运动补偿：用曲线拟合运载体的角速率和比力变化，得出角速率和比力表达的划桨运动补偿公式：
Figure 2011104213501100001DEST_PATH_IMAGE002
再将角速率矢量
Figure 793362DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 2011104213501100001DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 399924DEST_PATH_IMAGE005
、和比力矢量
Figure 330971DEST_PATH_IMAGE007
、、
Figure 85300DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 2011104213501100001DEST_PATH_IMAGE010
代入角速率和比力表达的划桨运动补偿公式，计算划桨运动补偿值，对步骤2得到的速度进行修正；
（4）以T c为解算周期，进行运载***置更新。
2.如权利要求1所述的光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，用三次抛物线分段拟合运载体的角速率和比力变化。
3.如权利要求1所述的光纤陀螺捷联惯导的划桨运动补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，角速率和比力表达的划桨运动补偿公式中的
Figure 759995DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 283380DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 149443DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 391069DEST_PATH_IMAGE006
是速度更新周期
Figure 666192DEST_PATH_IMAGE011
内光纤陀螺输出的4个等时间间隔的角速率矢量, 
Figure 247346DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 582512DEST_PATH_IMAGE008
、、
Figure 327932DEST_PATH_IMAGE010
速度更新周期内加速度计输出的4个等时间间隔的比力矢量，符号‘
Figure 2011104213501100001DEST_PATH_IMAGE012
’表示矢量叉乘，
Figure 763592DEST_PATH_IMAGE013
为速度更新的划桨运动补偿值。
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