一种四冗余度惯导分立式标定方法及标定系统与流程

1.本发明涉及惯性导航领域，更具体地，涉及一种四冗余度惯导分立式标定方法及标定系统。


背景技术：

2.为提高惯性导航设备的适装性与可靠性，一些惯性敏感组件采用了多陀螺斜交的配置方式。在这种组成下，仅需有三轴陀螺能正常工作，即可实现惯性导航作业，大大提升了系统的可靠性。
3.目前，惯性敏感组件的标定方法大多针对的是传统的三轴陀螺正交系统，对于斜交多陀螺的敏感组件标定缺少研究。对于四冗余惯性导航系统这一斜交系统，目前的主要方法是对冗余系统建模，采用系统级标定方法。这一方法标定时间长，且存在模型误差与误差较差耦合的问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种四冗余度惯导分立式标定方法及标定系统。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种四冗余度惯导分立式标定方法，包括：
6.对于空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器的四个敏感器，其中任意三个敏感器组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系；
7.将待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵分解为两部分，第一部分为待标定的敏感轴坐标系到对应的虚拟正交坐标系的第一转换矩阵，第二部分为虚拟正交坐标系到输出正交坐标系的第二转换矩阵，其中，第一转换矩阵能够直接根据空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器计算获得；
8.通过分立式标定方法求得第二转换矩阵；
9.根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，计算得到待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵。
10.根据本发明的第二方面，提供一种四冗余度惯导分立式标定系统，包括：
11.定义模块，用于对于空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器的四个敏感器，其中任意三个敏感器组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系；
12.分解模块，用于将待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵分解为两部分，第一部分为待标定的敏感轴坐标系到对应的虚拟正交坐标系的第一转换矩阵，第二部分为虚拟正交坐标系到输出正交坐标系的第二转换矩阵，其中，第一转换矩阵能够直接根据空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器计算获得；
13.求解模块，用于通过分立式标定方法求解第二转换矩阵；
14.计算模块，用于根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，计算得到待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵。
15.本发明提供的一种四冗余度惯导分立式标定方法及标定系统，通过构建虚拟正交坐标系，将斜交敏感轴坐标系到正交坐标系的标定问题转换为了虚拟正交坐标系到正交坐标系的标定问题，有效的降低了标定难度，提高了标定效率。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种四冗余度惯导分立式标定方法流程图；
17.图2为敏感轴坐标系与输出正交坐标系的示意图；
18.图3为四冗余度惯导的分立式标定流程示意图；
19.图4为本发明提供的一种四冗余度惯导分立式标定系统的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
21.实施例一
22.一种四冗余度惯导分立式标定方法，参见图1，该标定方法主要包括：对于空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器的四个敏感器(陀螺)，其中任意三个敏感器组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系；将待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵分解为两部分，第一部分为待标定的敏感轴坐标系到对应的虚拟正交坐标系的第一转换矩阵，第二部分为虚拟正交坐标系到输出正交坐标系的第二转换矩阵，其中，第一转换矩阵能够直接根据空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器计算获得；通过分立式标定方法求得第二转换矩阵；根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，计算得到待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵。
23.可以理解的是，基于背景技术中的需求，以设计理论冗余系统量测矩阵为基础，通过矩阵变化，构建各个器件组合条件下的等效虚拟陀螺输出坐标系，使用半分立式标定方法标定虚拟陀螺输出坐标系到理想正交坐标系的安装误差。最终，通过坐标系反变化得到原始器件安装误差。通过构建虚拟正交坐标系，将斜交敏感轴坐标系到正交坐标系的标定问题转换为了虚拟正交坐标系到正交坐标系的标定问题，有效的降低了标定难度，提高了标定效率。
24.实施例二
25.一种四冗余度惯导分立式标定方法，主要包括以下步骤：
26.s1，对于空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器的四个敏感器，其中任意三个敏感器组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系。
27.作为实施例，所述定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系，包括：
在四冗余度惯性敏感器中，设四个敏感器为a、b、c、d，任意选择其中三个敏感器的敏感轴组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系为b
abc
、b
abd
、b
acd
、b
bcd
，各敏感轴坐标系由下角标敏感器的敏感轴组成；定义输出正交坐标系b0由两两垂直的坐标轴ox、oy、oz组成；虚拟正交坐标系是通过坐标转换构造出的近似正交坐标系，记为b
abc0
、b
bcd0
、b
acd0
、b
abd0
。
28.具体的，以空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器为例，进行安装误差建模分析，定义如图2所示的坐标系：
29.(1)敏感轴坐标系：在四冗余度惯导中，有四个敏感器(陀螺)a、b、c、d，任意选择其中三个敏感器的敏感轴可以组成一个斜交的坐标系。
30.定义四个斜交的敏感轴坐标系：b
abc
、b
abd
、b
acd
、b
bcd
，各坐标系由下角标器件的敏感轴组成。以b
abc
为例，b
abc
坐标系由敏感器a、b、c的敏感轴oa、ob、oc组成，如图2所示。
31.(2)输出正交坐标系：输出正交坐标系b0为一正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy、oz组成。其中oz与敏感器坐标轴od近似重合，oy位于敏感器坐标轴oc与od构成的平面内。ox的指向符合右手定则。如图2中ox、oy、oz轴。
32.(3)虚拟正交坐标系：虚拟正交坐标系是通过坐标转换构造出的近似正交坐标系，记为b
abc0
、b
bcd0
、b
acd0
、b
abd0
。
33.s2，将待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵分解为两部分，第一部分为待标定的敏感轴坐标系到对应的虚拟正交坐标系的第一转换矩阵，第二部分为虚拟正交坐标系到输出正交坐标系的第二转换矩阵，其中，第一转换矩阵能够直接根据空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器计算获得。
34.具体的，上述步骤s1对各个坐标系进行了定义，本步骤s2来求解由敏感轴坐标系到虚拟正交坐标系的第一转换矩阵。其中，分别由敏感轴坐标系b
abc
、b
abd
、b
acd
、b
bcd
乘以第一转换矩阵得到：
[0035][0036]
对于四冗余度空间均匀分布布局的惯导而言，第一转换矩阵的取值如下：
[0037][0038]
其中各观测向量取值为：
[0039][0040]
s3，通过分立式标定方法求得第二转换矩阵。
[0041]
具体的，对于四冗余度惯导的分立式标定流程如图3所示：
[0042]
标定的目标是获得由敏感器坐标系b
abc
、b
abd
、b
acd
、b
bcd
到输出坐标系b0的坐标转换关系，也就是要求得坐标转换矩阵转换关系可以表达为：
[0043][0044]
通过坐标变换，将公式(6-4)中坐标转换矩阵展开后，得到：
[0045][0046]
在公式(6-5)，理论转换矩阵为已知量可由公式6-2与公式6-3求得，仅需求出第二变换矩阵即可完成敏感轴坐标系到输出坐标系的转换。
[0047]
基于此，通过构建虚拟正交坐标系b
abc0
、b
bcd0
、b
acd0
、b
abd0
，将斜交敏感轴坐标系到输出正交坐标系的标定问题转换为了虚拟近似正交坐标系到输出正交坐标系的标定问题，有效的降低了标定难度，提高了标定效率。
[0048]
对于虚拟近似正交坐标系到输出正交坐标系的标定问题，采用分立式标定方法，通过图2中的建模，构建了虚拟正交坐标系b
abc0
、b
bcd0
、b
acd0
、b
abd0
作为标定的中间量，仅需标定由虚拟正交坐标系到正交坐标系的转换矩阵即可。
[0049]
对的标定设计方法，作为实施例，将四冗余度惯性敏感器固定安装在三轴转
台上，定义输出正交坐标系与三轴转台重合，使三轴转台在不同阶段下按照不同的旋转圈数旋转；
[0050]
第一阶段：沿b0系ox轴顺时针旋转预设圈数；
[0051]
第二阶段：沿b0系oy轴顺时针旋转预设圈数；
[0052]
第三阶段：沿b0系oz轴顺时针旋转预设圈数；
[0053]
第四阶段：同时沿b0系ox轴、oy轴与oz轴旋转预设圈数。
[0054]
在四冗余度惯性敏感器旋转时，实时记录各阶段中各个敏感器在敏感轴坐标系下的脉冲输出；根据各个敏感器的脉冲输出和对应的第一转换矩阵，计算各个敏感器在敏感轴坐标系下的脉冲输出转换为在虚拟正交坐标系下的脉冲输出；根据每阶段对应坐标轴的旋转圈数和虚拟正交坐标系下的脉冲输出，利用最小二乘法求解对应的第二转换矩阵。
[0055]
具体的，对的标定设计方法如下：
[0056]
1)标定方法与转位设计：
[0057]
将四冗余度惯导固定安装在三轴转台上，此时可以定义输出坐标系b0与三轴转台三轴重合。使转台旋转，转位设计如下：
[0058]
第一阶段：沿b0系ox轴顺时针旋转10圈；
[0059]
第二阶段：沿b0系oy轴顺时针旋转10圈；
[0060]
第三阶段：沿b0系oz轴顺时针旋转10圈；
[0061]
第四阶段：同时沿b0系ox轴、oy轴与oz轴旋转10圈。
[0062]
在四冗余度惯导旋转时，实时记录各阶段中敏感器的脉冲输出。各阶段中a、b、c、d敏感器的脉冲输出记为nai、nbi、nci、ndi。其中i为旋转的阶段号。
[0063]
2)标定数据处理：
[0064]
通过处理标定过程中各器件输出的脉冲数可以求得安装误差通过处理标定过程中各器件输出的脉冲数可以求得安装误差以安装误差矩阵的计算为例：
[0065]
令记器件a、b、c在四个旋转阶段中的脉冲分别为nai、nbi、nci其中i为旋转的阶段。通过转换矩阵可以将器件输出转换到虚拟正交坐标系下，在第i个旋转阶段，虚拟正交坐标系下输出脉冲数记为nxi、nyi、nzi，计算公式为：
[0066][0067]
通过每阶段对应坐标轴的旋转圈数可以得到方程组如下：
[0068][0069]
将(6-7)展开，并整理为方程组形式：
[0070][0071]
记公式(6-8)为b＝ax，可通过最小二乘法求解待求向量x：
[0072]
x＝(a
t
a)-1atbꢀꢀ
(6-9)；
[0073]
通过式6-9求得向量[k
11 k
12 k
13 k
21 k
22 k
23 k
31 k
32 k
33
]
t
，从而得到安装误差矩阵，即第二转换矩阵采用同样的方法计算其它的三个第二转换矩阵和
[0074]
s4，根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，计算得到待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵。
[0075]
根据四个第一转换矩阵和对应的四个第二转换矩阵和计算得到四个敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵：
[0076]
[0077]
至此，通过发明提供的分立式标定方法，通过构建虚拟正交坐标系b
abc0
、b
bcd0
、b
acd0
、b
abd0
，将斜交坐标系到正交坐标系的标定问题转换为了近似正交坐标系到正交坐标系的标定问题，有效的降低了标定难度，提高了标定效率。
[0078]
实施例三
[0079]
一种四冗余度惯导分立式标定系统，参见图4，该标定系统包括定义模块401、分解模块402、求解模块403和计算模块404，其中：
[0080]
定义模块401，用于对于空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器的四个敏感器，其中任意三个敏感器组成一个斜交的敏感轴坐标系，定义四个斜交的敏感轴坐标系，定义输出正交坐标系，由两两垂直的坐标轴ox、oy和oz组成，以及定义每一个敏感轴坐标系对应的虚拟正交坐标系；
[0081]
分解模块402，用于将待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵分解为两部分，第一部分为待标定的敏感轴坐标系到对应的虚拟正交坐标系的第一转换矩阵，第二部分为虚拟正交坐标系到输出正交坐标系的第二转换矩阵，其中，第一转换矩阵能够直接根据空间均匀分布式四冗余度惯性敏感器计算获得；
[0082]
求解模块403，用于通过分立式标定方法求解第二转换矩阵；
[0083]
计算模块404，用于根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，计算得到待标定的敏感轴坐标系到输出正交坐标系的转换矩阵。
[0084]
可以理解的是，本发明提供的四冗余度惯导分立式标定系统与前述实施例一和实施例二提供的四冗余度惯导分立式标定方法相对应，四冗余度惯导分立式标定系统的相关技术特征可参考四冗余度惯导分立式标定方法的相关技术特征，在此不再赘述。
[0085]
本发明实施例提供的一种四冗余度惯导分立式标定方法及标定系统，基于归一化坐标系与半分立式标定原理，将各个器件组合的安装误差参数统一到同一虚拟正交输出坐标系下，并采用多位置标定进行参数估计，采用该方法，在保证安装误差标定精度的同时大幅缩短了标定时间。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0086]
(1)标定速度提升：采用归一化处理，同步快速标定多组器件组合的安装误差，大幅提升多陀螺系统的标定效率。
[0087]
(2)使用条件宽：具有很强的通用性，对四冗余度惯导以外的多陀螺斜交系统，本发明也具备适用性。
[0088]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0089]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0090]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。