CN114008410A - 用于监测惯性测量单元的性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监测至少一个第一惯性测量单元(UMI1)和一个第二惯性测量单元(UMI2)的方法，所述第一惯性测量单元(UMI1)和所述第二惯性测量单元(UMI2)连接到同一电子处理电路(10)并且被配置成确定加速度计测量参考系中的比力向量以及与所述加速度计测量参考系相对于惯性参考系的旋转有关的数据，所述方法的特征在于，所述电子处理电路(10)执行以下步骤：通过使用所述旋转数据将所述比力向量投影到惯性参考系中；将投影到所述参考系中的两个比力向量相互比较，以确定它们之间的差；以及监测该差随时间的变化。

Description

用于监测惯性测量单元的性能的方法
本发明涉及惯性地测量位置和/或姿态的领域。
背景技术
惯性导航***(INS)通常包括惯性测量单元(UMI)，该惯性测量单元包括沿加速度测量参考系的诸轴布置的三个加速度传感器和用于测量加速度测量参考系相对于测量参考系的参考取向的角运动的三个角度传感器(其可以是速率陀螺仪或自由陀螺仪)。每一加速度传感器包括受重力和惯性导航***被紧固到的对象(如车辆)的加速度影响的验证质量。在加速度测量参考系中，加速度计测量被称为“比力(specific force)”或“g力”的量值，并且它们确定比力向量的三个分量。该比力等于惯性体承受的非惯性力之和除以惯性体的质量。因此，比力具有加速度的维度，并且在文献中也称为“固有加速度(properacceleration)”。在惯性导航***中，来自惯性测量单元的传感器的信号由电子处理器电路使用，该电路对信号执行惯性导航算法以确定在本地地理参考系中的位置。
惯性单元的设计者需要监测惯性导航单元的惯性传感器的性能的漂移，以检测不符合惯性测量单元的规范的性能。同样，设计者需要能够确保惯性导航***具有相对高的完整性，并且为此，他们为惯性测量单元提供冗余。
当导航***有两个惯性测量单元时，已知对来自这两个惯性测量单元的信号执行两次导航计算，并比较本地地理坐标系中的惯性导航输出以监测惯性测量单元的漂移并提高该***的完整性。然而，在本地地理工作参考系中的惯性导航受到来自北Schuler链和西Schuler链的激励的干扰，并且也受到陀螺仪误差所引起的周期为24小时(h)的振荡型误差的影响。这些干扰会导致在检测漂移时的延迟。作为结果，缓慢的漂移监测是难以观测的。或者，如果两个惯性测量单元都紧固在同一刚性结构上，则比较来自这些传感器的输出是可能的。然而，对于该方法，需要假设传感器紧固在其上的结构是无限刚性的，使得惯性测量单元受到相同的外部影响。
发明目的
本发明的目的是提供用于检测惯性测量单元中的故障(尤其是慢速故障)的简单且可靠的装置，并且无需求助于执行导航计算。
发明内容
为此，本发明提供了一种监测至少第一和第二惯性测量单元的方法，第一惯性测量单元和第二惯性测量单元连接到同一电子处理器电路并且各自被布置成确定加速度计测量参考系中的比力向量以及与加速度计测量参考系相对于惯性参考系的转动有关的旋转数据两者。电子处理器电路执行以下步骤：
使用旋转数据将比力向量投影到惯性参考系中；
将投影到所述参考系中的两个比力向量相互比较，以确定它们之间的差；以及
监测该差随时间的变化。
将比力向量投影到惯性参考系中使得不受Schuler链效应和周期为24小时的振荡的影响成为可能，因为这些对比力的测量没有影响。通过利用陀螺仪数据，使得将比力向量投影到惯性参考系中成为可能。处理两个惯性测量单元的比力向量之间的差使得表征两个惯性测量单元中陀螺仪传感器的误差和加速度计传感器的误差之间的在惯性参考系中的差成为可能，而无论单元是否集成在单个装置中。利用惯性参考系中的这一差使得检测惯性测量单元中陀螺仪对和加速度计对的性能的变化成为可能。具体而言，比力之间的差可被用于首先标识可单独归因于加速度计误差或陀螺仪误差的随机项，并然后标识可单独归因于对准残差或补偿杠杆臂的残差的连续项。本发明的优点在于使得如下成为可能：估计与传感器相关的误差，同时使用简单的传递函数，而不利用传统定位算法，由于传感器误差和定位误差(特别是由于Schuler振荡、周期为24小时的振荡、初始对准、……等的影响而产生的误差)，传统定位算法使得分析更加困难且传递函数更加复杂。
本发明还提供了用于执行该方法的导航装置。
在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。
附图说明
参考附图，在附图中：
图1是执行本发明的方法的导航装置的图解平面图；以及
图2是该装置中的惯性导航***的图解图。
具体实施方式
参考附图，本发明涉及用于交通工具的导航装置1。交通工具可以是任何类型：空中；水上；或陆地。
在该示例中，导航装置1包括连接到两个惯性测量单元UMI1和UMI2的电子处理器电路10。
惯性测量单元UMI1具有三个加速度计111.1、112.1和113.1，它们布置在原点为O1的加速度计参考系m1的轴X1、Y1和Z1上。惯性测量单元UMI1具有绕轴X1、Y1和Z1安装的用于检测加速度计测量参考系m1相对于惯性参考系的转动的三个角度传感器121.1、122.1和123.1。
惯性测量单元UMI2具有三个加速度计111.2、112.2和113.2，它们布置在原点为O2的加速度计参考系m2的轴X2、Y2和Z2上。三个角度传感器121.2、122.2和123.2绕轴X2、Y2和Z2安装，以用于检测加速度计测量参考系m2相对于惯性参考系的转动。
惯性测量单元UMI1和UMI2借助捷联式(strapdown-type)安装件紧固在支撑件上，支撑件不一定是刚性的并且其本身安装在运载交通工具上，无需知道两个参考系m1和m2之间的角度差。惯性测量单元UMI1和UMI2被布置成以比力向量的形式测量同一比力。惯性测量单元UMI1和UMI2还被布置成使得能够使用陀螺仪测量来确定瞬时旋转向量和加速度计测量参考系m1、m2相对于惯性参考系[i1]、[i2]的转动。应观察到，在本实施例中，惯性测量单元UMI1和UMI2两者优选地位于彼此附近，即彼此足够靠近以便它们之间的杠杆臂可以忽略不计。
在此示例中，电子控制电路10包括处理器和存储由处理器执行的程序的存储器。这些程序包括被布置成用于执行导航方法以及监测惯性测量单元UMI1和UMI2的监测方法这两者的指令。导航方法(用于确定位置)可由纯惯性导航***或由姿态和航向参考***(AHRS)或实际上由混合导航装置(例如惯性和GPS(全球定位***)两者)执行。所执行的导航方法本身是已知的，并且在此不进行更详细的描述，因为它独立于构成本发明主题的监测方法。
根据本发明的监测方法，电子处理器电路10执行以下步骤：
通过使用陀螺仪测量，将每一惯性测量单元确定的比力向量投影到惯性参考系中；
将投影到所述参考系中的两个比力向量相互比较，以确定它们之间的差；以及
监测该差随时间的变化。
在该示例中，在将来自两个惯性测量单元UMI1和UMI2的加速度计的输出投影到与每一惯性测量单元UMI1、UMI2相关联的惯性参考系后，通过成对地比较这些输出来比较比力向量。
该监测方法使得可以得到加速度计和陀螺仪提供的惯性测量中的误差的差，并通过使用陀螺仪测量来观测投影到惯性参考系中的比力之间的差来这样做，而无需执行惯性导航。
下文详细描述了对来自惯性测量单元的测量的处理。在下文的描述中，采用以下符号：
[m1]：UMI1的参考系
[m2]：UMI2的参考系
[i1]：通过对UMI1的陀螺仪测量进行积分而稳定的惯性参考系
[i2]：通过对UMI2的陀螺仪测量进行积分而稳定的惯性参考系
[i]：标称惯性参考系(其中Z轴沿地球的旋转轴)
[g]：本地地理参考系(使用NWD惯例)
ψ：[i]中的姿态向量(投影到标称惯性参考系[i]中的三个陀螺仪漂移的从0到t的积分)
f：比力向量(加速度计测量)，也写为fs
Gg：本地地理参考系[g]中的重力向量，其具有分量(0,0,G)'
γg：在[g]中的相对于地球的加速度向量，
δA1：UMI1的加速度计的测量误差向量
δA2：UMI2的加速度计的测量误差向量
Figure BDA0003410552510000051
通过对陀螺仪测量进行积分(例如通过四元数(quaternion))获得的用于m变换到i的变换矩阵
Figure BDA0003410552510000052
用于从m1变换到i1的计算得到的变换矩阵
Figure BDA0003410552510000053
用于从m2变换到i2的计算得到的变换矩阵
Dm：UMI的几何漂移向量
I：单位矩阵
X：状态向量
Y：观测向量
Figure BDA0003410552510000054
量值V的估计或测量
Figure BDA0003410552510000055
X的反对称矩阵
如由惯性测量单元UMI1、UMI2根据其各自的陀螺仪测量来准备的，各惯性测量单元UMI1、UMI2的比力(fs)到其惯性参考系i1、i2中的投影被写成如下形式：
Figure BDA0003410552510000056
Figure BDA0003410552510000057
作为示例，变换矩阵
Figure BDA0003410552510000058
是通过基于以下微分方程对四元数进行积分来获得的(对UMI2执行相同的计算)：
Figure BDA0003410552510000059
在此位置，
Figure BDA0003410552510000061
对应于(对于每一惯性测量单元UMI1和UMI2)三个陀螺仪的三个测量。
在时间t＝0时，以下情况适用：
Figure BDA0003410552510000062
且
Figure BDA0003410552510000063
其中在t＝0时
Figure BDA0003410552510000064
因此，在时间t＝0时，[i1]和[i2]非常接近，因为假设[m1]接近[m2]，假设惯性测量单元UMI1和UMI2在几度内平行安装，或者这两个参考系中的一者先前已通过已知在几度范围内的协调角进行了补偿。
然后，可为惯性测量单元UMI1编写下式(忽略Coriolis加速度，其对于这两个测量而言是共同的)：
Figure BDA0003410552510000065
同一公式(下标已更改)适用于惯性测量单元UMI2，且计算两个比力之间的差是可能的，每一比力都投影到相应惯性测量单元UMI1、UMI2的惯性参考系[i1]、[i2]：
Figure BDA0003410552510000066
使用以下符号
Figure BDA0003410552510000067
并且观察到I+A(ψ)表示角度ψ的微旋转矩阵。
误差向量ψ对应于投影到惯性参考系中的漂移向量的积分：
Figure BDA0003410552510000068
其中：
Figure BDA0003410552510000069
使用以下符号
Figure BDA0003410552510000071
其表示用于从惯性参考系[i1]变换到惯性参考系[i2]的微旋转矩阵。这一矩阵是常数。
通过在仅保留一阶误差的情况下推导上述公式，可获得以下结果：
Figure BDA0003410552510000072
Figure BDA0003410552510000073
Figure BDA0003410552510000074
如上所述，
Figure BDA0003410552510000075
接近I，其中通过使用来自测量单元UMI1的测量，由此：
Figure BDA0003410552510000076
该误差方程包含加速度计和陀螺仪两者对总误差的贡献。
以相同方式，通过使用来自测量单元UMI 2的测量，获得以下结果：
Figure BDA0003410552510000077
该误差方程同样包含加速度计和陀螺仪两者对总误差的贡献。
对于惯性装备中的实时实现，使用可用的测量，即：
Figure BDA0003410552510000078
在上述公式中使用符号ΔA＝δA2-δA1和Δψ＝ψ0+ψ2-ψ1，得出以下结果：
Figure BDA0003410552510000079
知悉A(X)Y＝-A(Y)X，这给出：
Figure BDA00034105525100000710
或者以不同的形式：
Figure BDA0003410552510000081
其中对Δψ有不同的定义
在上述两个方程中，项ΔA和Δψ是未知的，所有其他量值都是实时已知的。这可写成矩阵形式(其中j对应于指定从其获得测量的惯性测量单元的下标1或2)：
Figure BDA0003410552510000082
该矩阵方程称为测量方程(Y＝H·X)，可通过最小二乘型估计装置或卡尔曼滤波器来处理，Y是测量向量，X是状态向量，且H是观测矩阵。
该矩阵方程也可以写成Y＝H·X+V的形式，其中V是适用于对加速度测量中的噪声进行建模的白噪声向量。
为了降低噪声的影响，也可以使用因变于时间的、该测量方程的积分。如果两个惯性测量单元UMI1和UMI2的间距超过几米，这也便于杠杆臂的潜在补偿。具体而言，在此类情形中，优选地将两个比力参考到同一参考点，同时补偿惯性测量单元之间存在的杠杆臂，以便使差对载体的转动不敏感。杠杆臂的这一补偿如下所写：
经补偿的
Figure BDA0003410552510000083
其中
Figure BDA0003410552510000084
是惯性测量单元UMI1和UMI2之间的杠杆臂向量(在[m1]中两个UMI之间的距离)，且
Figure BDA0003410552510000085
是UMI 1相对于惯性参考系[i]的旋转向量的瞬时速度，这可由两个惯性测量单元中的所选一者的陀螺仪测量来提供。
然后，测量方程变为：
Figure BDA0003410552510000086
积分窗口(t2-t1)可因变于所需检测阈值来被调整。
如果卡尔曼滤波器被用于估计状态向量X，则可以将“共形”统计模型应用于加速度计和陀螺仪误差(马尔可夫模型)，在这种情况下，将估计与滤波器所提供的标准偏差进行比较用于标识传感器的任何不一致性。
为此，有必要增加状态向量的大小，并向其添加以下微分方程，将Δψ和导数相联系：
Figure BDA0003410552510000091
且Δψ(t＝0)＝ψ0
这给出以下新方程：
测量方程：
Figure BDA0003410552510000092
以及状态变化方程：
Figure BDA0003410552510000093
其中：
Figure BDA0003410552510000094
且
Figure BDA0003410552510000095
子矩阵FA和FD用于与状态噪声UA和UD相关联地定义传感器误差ΔA和ΔDm的马尔可夫模型。白噪声项Uψ用于定义漂移白噪声，通常称为角随机游动。
因此，该监测方法可以揭示两个惯性测量单元之一的、不符合传感器随时间变化的预期模型(通常为马尔可夫模型)的行为。在检测到该行为之后，该方法可被布置成发出警报以警告用户。然而，由于仅监测两个惯性测量单元，该方法无法隔离(或标识)两个惯性测量单元UMI中的哪一个呈现不一致的行为。相反，应观察到，当使用三个惯性测量单元执行该方法时，使得能够标识发生故障的惯性测量单元。为此，在成对的三个惯性测量单元上应用该方法就足够了(对于惯性测量单元UMI1、UMI2和UMI3，在惯性测量单元UMI1和UMI2的比力向量之间以及惯性测量单元UMI2和UMI3的比力向量之间检测到的相应差使得标识与惯性测量单元UMI2相关的对两个比较而言共有的不一致性)。
关于Δψ的可观测性，应当观察到：
在经简化的测量方程
Figure BDA0003410552510000101
中，积
Figure BDA0003410552510000102
对应于向量
Figure BDA0003410552510000103
和Δψ的向量积；
如果这两个向量都是曲线，则向量积是零。因此，仅观测Δψ在垂直于
Figure BDA0003410552510000104
的平面中的投影是可能的。
因此，通过在本地地理参考系中重新定位，给定比力主要是归因于重力，仅观测位于水平面上的漂移效应是可能的。与地球自转周期(24小时)相比，持续时间较短的观测也是如此。
当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是涵盖来自如由权利要求书限定的本发明的范围内的任何变型。
具体而言，两个惯性测量单元可以安装在同一件装备中，如在所描述实施例中，或者它们可以安装在不同的装备中。
加速度计和/或陀螺仪可以是任何类型的，并且可以包括具有振动轴对称谐振器的陀螺仪，例如半球形谐振器陀螺仪(HRG)类型或微机电***(MEMS)。
如果惯性测量单元彼此足够接近，则本发明可在无需补偿杠杆臂的情况下使用。作为示例，对于民用飞行器，当惯性测量单元彼此之间的距离小于3米时，无需执行补偿。然而，该值取决于可接受的故障水平和惯性测量单元的灵敏度。
在一变型中，在惯性测量单元被视为标称操作的操作阶段期间，该方法可包括确定对准差以及由投影到惯性参考系中的比力向量之间的差所产生的杠杆臂残差的步骤。因此，在如下公式中：
经补偿的
Figure BDA0003410552510000105
方程的最后一个成员
Figure BDA0003410552510000106
可并入H·X中，从而使得能够将杠杆臂的分量添加到状态向量X中，并且从而使得能够通过卡尔曼滤波器对其进行估计。这可以是绝对杠杆臂，或者如果因为它不是准确地已知悉的而已被部分补偿，则它可以是杠杆臂的残差。
本发明适用于使用惯性测量单元的任何***。因此，本发明适用于姿态和航向参考***(AHRS)，该***可细分为惯性测量单元和执行航向和姿态计算的装置。

Claims (7)

1.一种监测至少第一和第二惯性测量单元的方法，所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元连接到同一电子处理器电路并且被布置成确定加速度计测量参考系中的比力向量以及与所述加速度计测量参考系相对于惯性参考系的转动有关的旋转数据两者，所述方法的特征在于，所述电子处理器电路执行以下步骤：
通过使用所述旋转数据将所述比力向量投影到惯性参考系中；
将投影到所述参考系中的两个比力向量相互比较，以确定它们之间的差；以及
监测该差随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二惯性测量单元中的每一者具有三个加速度计以及三个陀螺仪，每一加速度计沿着所述加速度计参考系的相应轴来布置，每一陀螺仪被布置成测量所述加速度计测量参考系相对于所述惯性参考系的取向，并且所述比力向量是在将两个惯性测量单元的加速度计的输出投影到所述惯性参考系后，通过成对地比较所述输出来比较的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个测量单元彼此隔开，并且所述方法包括补偿这两个测量单元之间的杠杆臂的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：在所述惯性测量单元被视为标称操作的操作阶段期间，确定对准差以及由投影到所述惯性参考系中的所述比力向量之间的差所产生的杠杆臂残差。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括从所述差中推导出所述惯性测量单元的误差的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包括将所述惯性测量单元的误差与所述惯性测量单元误差随时间变化的模型进行比较的步骤。
7.交通工具导航装置，包括至少第一和第二惯性测量单元，所述第一和第二惯性测量单元连接到电子处理器单元，所述电子处理器单元被布置成执行根据任一前述权利要求所述的方法。
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