基于MEMS阵列式的新型惯性导航系统的制作方法

基于mems阵列式的新型惯性导航系统
技术领域
1.本发明属于惯性技术领域，特别涉及一种基于mems阵列式的新型惯性导航系统。


背景技术：

2.惯性技术是制约导弹武器快速反应的瓶颈，也是各军事强国高度敏感的核心技术，以惯性导航系统ins为主的自主导航，已然成为智能军事装备导航控制的核心。传统的惯导系统分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统，具有高功耗、体积大、重量大、结构复杂、成本高等特点，已经无法满足未来智能军事装备小型化的发展需求，低成本、低功耗、小型化导航定位授时系统是军事装备智能化发展的必然趋势。
3.mems惯性器件凭借小体积、低成本等优点，正在逐步应用于智能军事装备领域中。但是mems惯性器件特别是mems陀螺存在精度差、环境适应性差的问题，无法单独依靠 mems惯性导航系统完成长时间高精度自主导航任务，制约其在火箭军导弹装备领域应用。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于mems阵列式的新型惯性导航系统，采用多组低精度惯性器件 单轴斜置光纤陀螺阵列式配置，以导航性能和可靠性最优为准则，构建了阵列mems器件平行安装 单轴光纤陀螺斜置配置方式；在空间配置确定后，搭建mems阵列式导航系统信息处理体系，完成多传感器器件级信息融合和系统级导航误差校正；引入斜置光纤陀螺，为阵列式导航系统中的mems陀螺提供额外的角速度基准，通过在线标定技术，实时对各传感器误差及相关系数进行修正，规避mems器件逐次重复性差的问题；可对mems阵列内的子传感器工作状态进行实时监测，并在出现故障时及时进行故障隔离和处理，提高惯导系统可靠性和稳定性；该系统最大程度地发挥mems阵列中各个分传感器的性能，提高 mems使用精度和环境适应性，极大降低惯性导航系统的成本、体积、重量。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于mems阵列式的新型惯性导航系统，包括轴向平行安装的mems阵列和斜置安装的光纤陀螺，所述mems阵列沿x、y、z轴向正交配置，每个轴向均包含多个mems 加速度计和多个mems单轴陀螺，所述mems加速度计用于测量加速度，所述mems单轴陀螺用于测量角速度；所述光纤陀螺为空间斜置，实现对x、y、z轴向角速度测量误差的在线标定。
7.一种惯性导航系统的信息融合方法，采用上述基于mems阵列式的新型惯性导航系统进行信息融合，其特征在于，包含同一轴向mems阵列器件之间的信息融合以及三个轴向 mems陀螺与单轴光纤陀螺之间的信息融合：
8.1)同一轴向mems阵列器件之间的信息融合
9.mems单轴陀螺输出y(t)均包含真实角速度ω(t)、白噪声n(t)和随机漂移b(t)，其中随机漂移建模为一阶马尔可夫过程则mems单轴陀螺输出模型为：
10.11.对于阵列式导航系统，假设同一轴向上有n只mems单轴陀螺实现角速度的测量，依据所述mems单轴陀螺输出模型可知，所述角速度测量值中不仅包含真实的角速度，还存在相关的随机漂移和测量白噪声；通过多个测量值之间的融合，实现对随机漂移和真实角速度的建模估计；选取真实角速度ω(t)和随机漂移b(t)作为状态量，则状态变量x(t)可表示为：
12.x(t)＝[b ω]
t
,b＝[b
1 ... b
n
]
t
[0013]
其中，矩阵右上角t表示矩阵转置，n是指mems单轴陀螺的数量；
[0014]
采用线性卡尔曼滤波模型，协方差矩阵微分方程如下：
[0015][0016]
k(t)＝p(t)h
t
r
‑1[0017][0018]
其中，表示协方差矩阵的微分，表示矩阵x(t)的估计值，求解所述协方差矩阵的黎卡蒂微分方程，得到方差阵的稳态值；考虑到系统是随机可观和稳定的，通过固定增益和协方差实现收敛，实现对测量数据的最优融合；其中z(t)为量测信息，h是量测矩阵，k(t) 为增益，r为量测噪声，r
‑1为矩阵r的逆矩阵，p(t)为状态滤波协方差，为其微分， q
ω
为滤波误差；
[0019]
2)三个轴向mems单轴陀螺与光纤陀螺之间的信息融合
[0020]
首先给出基于mems阵列的新型惯性导航系统的测量模型，假设b系下x轴、y轴和z 轴的理论角速率为：ω＝[ω
x ω
y ω
z
]
t
，x轴、y轴和z轴向配置的mems单轴陀螺和斜置轴光纤陀螺的测量值为：m＝[m
xi m
yi m
zi m
fi
]
t
，i＝1,2,3...，则测量值与x轴、y轴和z轴的理论值之间满足下列关系
[0021]
m＝hω ξ
[0022]
其中，h为量测矩阵；ξ为残余噪声，一般假设ξ为高斯白噪声，统计特性满足：e[ξ]＝0， e[ξξ
t
]＝σ2i；其中i为单位矩阵，σ为均方差,e[ξ]为ξ的期望；
[0023]
真实角速度合成矢量ηω与实际测量值m的差值δm，
[0024]
δm＝ωm
‑
m
[0025]
考虑到阵列式导航系统中的mems单轴陀螺和光纤陀螺的性能差异，进行角速度融合时，需要进行加权融合，给出引入权值矩阵s的目标函数q，如下所示，
[0026][0027]
针对上述目标函数，可求得融合后角速度输出如下，
[0028][0029]
其中，右上角t表示矩阵的转置，
‑
1表示矩阵的逆；
[0030]
利用各测量轴的统计方差构成权值矩阵s，如下所示，
[0031][0032]
其中，σ
xi
、σ
yi
、σ
zi
、σ
fi
分别为在第i个统计步长内，各测量轴上的mems陀螺和fog 的方差。
[0033]
一种惯性导航系统的标定方法，针对上述基于mems阵列式的新型惯性导航系统进行标定，包括出厂前标定和出厂后导航过程中的动态在线标定：
[0034]
1)出厂前标定
[0035]
误差包括零偏相关误差、标度因数误差和安装误差，所述零偏相关误差和所述标度因数误差标定采用多位置法和速率法进行标定；
[0036]
所述安装误差包括mems器件安装误差和斜置光纤陀螺安装误差，所述mems器件安装误差采用投影关系及性能标定，所述斜置光纤陀螺安装误差采用如下方式标定：
[0037]
假设所述斜置光纤陀螺敏感轴方向矢量h
i
'与理想轴h
i
具有小角度误差δα
i
和δβ
i
，光纤陀螺敏感轴方向矢量h
i
'在x
b
‑
y
b
平面上的投影向量与x
b
轴的夹角为α
i
'，与x
b
‑
y
b
平面的夹角为β
i
'，因此：
[0038]
h
i
'＝[cos(α
i
')cos(β
i
')]
·
i [sin(α
i
')cos(β
i
')]
·
j [sin(β
i
')]
·
k
[0039]
其中，δα
i
为方位角误差，δβ
i
为高度角误差，i、j、k表示三个正交矢量方向，将α
i
'＝α
i
‑
δα
i
及β
i
'＝β
i
δβ
i
代入上式，忽略二阶小量(δα
i
·
δβ
i
)，并将sin(δα
i
)、sin(δβ
i
)线性化为δα
i
、δβ
i
，cos(δα
i
)、cos(δβ
i
)近似为1，可得：
[0040]
h
i
'＝h
i
δα
i
·
p
i
δβ
i
·
q
i
[0041]
其中，p
i
与q
i
为如下所示向量：
[0042][0043]
2)出厂后动态在线标定方法
[0044]
所述动态在线标定包括mems单轴陀螺零位误差标定和标度误差标定；
[0045]
针对mems单轴陀螺零位误差标定，斜置高精度光纤陀螺的引入，利用静态工况，对一阶马尔可夫建模的随机漂移项进行相关系数的实时标定，充分利用相关系数的一次通电稳定性，保障后续融合性能；
[0046]
针对mems单轴陀螺标度误差标定，在动态过程中，通过与光纤陀螺基准数据进行融合，实时标定陀螺自身的标度误差。
[0047]
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0048]
一是首次提出了基于mems阵列式的新型惯导系统概念和架构，突破现有传统惯导的结构模式，克服mems惯性器件精度差、环境适应性差的问题，实现低精度mems的高精度应用，满足了火箭军导弹武器低成本、低功耗、小型化的需求；
[0049]
二是提出了针对mems阵列的信息融合体系，通过mems器件间、高精度光纤陀螺与 mems间以及时空融合，提高了系统的融合精度；
[0050]
三是提出了mems阵列式惯性导航系统的标定方法，在出厂前和在线使用过程中，
完成对标度误差和零位误差的标定；
附图说明
[0051]
图1为mems阵列的配置方案图。
[0052]
图2为mems 光纤陀螺空间斜置配置阵列式惯性导系统示意图；其中，图2(a)为阵列配置示意图；图2(b)为mems阵列导航系统测试验证实物图。
[0053]
图3为mems阵列式惯导系统结构构成图。
[0054]
图4为实际传感器轴向与系统本体坐标系的安装关系。
具体实施方式
[0055]
以下将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
[0056]
实施例一
[0057]
一种基于mems阵列式的新型惯性导航系统，采用mems阵列轴向平行安装配置 光纤陀螺斜置安装配置方案，设阵列式惯导系统的输出基准面为坐标系为b，则每个惯导系统在 b坐标系下的配置方案如图1所示，mems各器件之间平行安装配置构成阵列(x、y、z三个方向)，光纤陀螺的中间斜置以实现对正交轴所有mems陀螺的在线标定，结合组成全新的低成本高精度惯性导航系统。
[0058]
如图2(a)所示，在正交轴系下，每个轴向包含多个mems加速度计测量其加速度和多个 mems单轴陀螺测量其角速度，进而实现对加速度和角速度的冗余测量。光纤陀螺斜置安装，实现对mems陀螺测量角速度误差的在线标定；其中光纤陀螺的斜置安装方式采用空间斜置方式，在o
‑
xyz空间坐标系的空间斜置可以实现对x、y、z轴向角速度测量误差的在线标定；实物测试验证如图2(b)所示。
[0059]
将所述基于mems阵列式的新型惯性导航系统组装形成惯性导航装置，如图3所示，设置框架结构和结构件，框架结构设有中间通孔和表面凹槽，分别实现光纤陀螺和mems阵列的定位，结构件包覆框架结构形成惯性导航装置。
[0060]
所述mems单轴陀螺输出可以用以下数学模型来描述：
[0061]
w＝w
m
b ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
其中，w为mems陀螺的实际输出，w
m
为外部实际角速率，b为零偏，ε为噪声。一般地，ε服从n～(0，σ)正态分布。当在同一个轴上放置n个陀螺时，该轴上n个陀螺的输出可以用下式表示：
[0063][0064]
在实际使用过程中，所述n个陀螺输出经过融合后输出，可以简化为对各个输出平均处理后的输出，则有：
[0065]
[0066]
令则有w
o
＝w
m
b δ，其中ε服从n～(0，σ)正态分布。
[0067]
当ε1,ε2...ε
n
相互独立，则δ服从噪声水平可以降低个量级。
[0068]
当ε1,ε2...ε
n
相关时，取阵列式陀螺之间相关系数均为固定值ρ，单一轴向阵列陀螺数量为n时，其噪声水平的方差可以表示为：
[0069][0070]
即，通过设置多个mems单轴陀螺阵列，有效降低了噪声水平，提高了测量精度。
[0071]
在所述基于mems阵列式的新型惯性导航系统中，陀螺与加速度计阵列输出由传感器坐标系转换至载体坐标系，经转换后再进行多传感信息融合和在线标定，融合过程中基于观测信息完成故障检测和隔离，最后输出高精度导航结果。
[0072]
实施例二
[0073]
一种mems阵列式导航系统信息融合方法，包含mems阵列器件之间的融合、mems 陀螺与光纤陀螺之间的融合。
[0074]
1)mems阵列器件融合方法
[0075]
mems阵列信息融合技术的关键在于将多个普通的低精度mems传感器组成阵列，对同一信号进行冗余检测设计出一个最优的滤波器，实时估计出mems阵列内部各个传感器的误差，并对测量输出信息进行补偿校正，得到高精度的测量值。融合技术以惯性器件误差模型为基础，对真实角速度估计的同时完成噪声平滑和模型参数的估计。一般地，陀螺输出y(t)包含真实角速度ω(t)、白噪声n(t)和随机漂移b(t)，其中随机漂移可以建模为一阶马尔可夫过程陀螺输出即可写为：
[0076][0077]
对于阵列式导航系统中，同一通道存在多个角速度测量，但是每个角速度测量中不仅真实的角速度，还存在相关的随机漂移和测量白噪声。因此融合过程中需要对随机漂移和真实角速度进行建模估计，选取真实角速度ω(t)和随机漂移b(t)作为状态量，则状态变量x(t)可表示为：
[0078]
x(t)＝[b ω]
t
,b＝[b
1 ... b
n
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0079]
式中，矩阵右上角t表示矩阵转置。
[0080]
以线性卡尔曼滤波模型为例，协方差矩阵微分方程如下：
[0081][0082]
式中，表示协方差矩阵的微分，表示矩阵x(t)的估计值，求解上述协方差矩阵的黎卡蒂微分方程，可以得到方差阵的稳态值。考虑到系统是随机可观和稳定的，通
过固定增益和协方差即可实现收敛。其中z(t)为量测信息，h是量测矩阵，k(t)为增益，r为量测噪声，r
‑1为矩阵r的逆矩阵，p(t)为状态滤波协方差，为其微分，q
ω
为滤波误差。
[0083]
2)mems陀螺与光纤陀螺融合方法
[0084]
提出一种自适应型加权数据融合算法，利用统计区间方差来衡量各惯性器件的权重，减少融合误差，获得更优的估计结果。
[0085]
由于系统的实时性需求及导航计算机存储数据空间有限性等因素的限制，在对测量误差进行方差统计前，需对测量误差数据进行预处理。采用基于限定记忆中值滤波滤除野值。自适应限定记忆中值滤波法中测量结果的估计值依赖于限定长度的最新数据所提供的信息，不受与该段数据长度之外的旧数据影响，对测量结果估计值产生的影响始终为限定长度的最新数据，且测量结果的统计方差可通过设定长度的不同进行调整，保证系统的实时性和准确性。
[0086]
以陀螺为例，分析阵列式惯导系统的数据。假设b系下x轴、y轴和z轴的理论角速率为：ω＝[ω
x ω
y ω
z
]
t
，x轴、y轴和z轴向配置的mems陀螺和斜置轴光纤陀螺的测量值为：m＝[m
xi m
yi m
zi m
fi
]
t
，i＝1,2,3...，则测量值与x轴、y轴和z轴的理论值之间满足下列关系
[0087]
m＝hω ξ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0088]
式中，h为量测矩阵；ξ为残余噪声，一般假设ξ为高斯白噪声，统计特性满足：e[ξ]＝0， e[ξξ
t
]＝σ2i。其中i为单位矩阵，σ为均方差,e[ξ]为ξ的期望。
[0089]
真实角速度合成矢量ηω与实际测量值m的差值δm，
[0090]
δm＝ωm
‑
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0091]
考虑到阵列式导航系统中的mems陀螺和光纤陀螺的性能差异，进行角速度融合时，需要进行加权融合，如下给出引入权值矩阵s的目标函数q，
[0092][0093]
针对上述目标函数，可求得融合后角速度输出如下，
[0094][0095]
右上角t表示矩阵的转置，
‑
1表示矩阵的逆。
[0096]
利用各测量轴的统计方差构成权值矩阵s，得
[0097][0098]
式中，σ
xi
、σ
yi
、σ
zi
、σ
fi
分别为在第i个统计步长内，各测量轴上的mems陀螺和光纤陀螺的方差。该方差是由各测量轴的实时测量误差所得到的统计结果，因此，权值矩阵s可由各测量轴的输出值进行自适应调整。
[0099]
实施例三
[0100]
mems阵列式导航系统的误差主要包含零位误差、标度误差和安装误差，出厂前需要对上述误差进行初始标定。安装误差一般可以通过结构加工保证出厂后为恒定值，而零位误差和标度误差会随着贮存时间而发生变化，还需要在武器系统的贮存期或者是使用过
程中借助于外部激励进行在线标定。
[0101]
基于mems阵列式的新型惯性导航系统的标定方法，包括：
[0102]
1)出厂前标定方法
[0103]
在完成mems阵列式导航系统标定工作之前必须对其误差建模。一般地其误差模型主要包含各个器件的零偏相关误差、标度因数和安装失准角。上述的零偏相关误差和标度因数误差标定与传统的惯组标定没有区别，因此采用传统的多位置法和速率法就可以完成标定。
[0104]
由于阵列式导航系统内部包含了正交平行安装的mems器件和斜置安装的光纤陀螺，安装误差包含所有平行安装的mems器件到本体系下的转换矩阵和斜置光纤陀螺到本体下的转换矩阵。其中mems器件的安装误差转换矩阵服从小角度假设，可采用投影关系直接及性能标定。而斜置光纤陀螺的安装误差不满足小角速度假设，需要进行如下处理。
[0105]
在mems阵列式导航系统中，斜置的mems
‑
ins坐标系与基准面的坐标系并不平行，其斜置轴指向可用方位角和高度角进行描述。实际安装过程中，不可能保证光纤陀螺敏感轴方向矢量h
i
'与理想轴h
i
严格重合，假设两者具有小角度误差δα
i
和δβ
i
，如图4所示。
[0106]
假设传感器轴h
i
'在x
b
‑
y
b
平面上的投影向量与x
b
轴的夹角为α
i
'，与x
b
‑
y
b
平面的夹角为β
i
'，因此：
[0107]
h
i
'＝[cos(α
i
')cos(β
i
')]
·
i [sin(α
i
')cos(β
i
')]
·
j [sin(β
i
')]
·
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0108]
其中，δα
i
为方位角误差，δβ
i
为高度角误差，i、j、k表示三个正交矢量方向，将α
i
'＝α
i
‑
δα
i
及β
i
'＝β
i
δβ
i
代入上式，忽略二阶小量(δα
i
·
δβ
i
)，并将sin(δα
i
)、sin(δβ
i
)线性化为δα
i
、δβ
i
，cos(δα
i
)、cos(δβ
i
)近似为1，可得：
[0109]
h
i
'＝h
i
δα
i
·
p
i
δβ
i
·
q
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0110]
其中，p
i
与q
i
为如下所示向量：
[0111][0112]
依据上述安装误差的观测方程即可完成对斜置轴安装误差的标定。
[0113]
2)动态在线标定方法
[0114]
考虑到mems器件的标度重复性和相关性随时间变化明显，动态在线标定主要针对标度误差和零位误差这两项误差进行。
[0115]
针对零位误差，斜置高精度光纤陀螺的引入，可以利用静态工况，对一阶马尔可夫建模的随机漂移项进行相关系数的实时标定，充分利用相关系数的一次通电稳定性，保障后续融合性能。
[0116]
针对mems陀螺标度因数，在动态过程中，通过与光纤陀螺基准数据进行融合，实时标定陀螺自身的标度误差。
[0117]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。