一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法

1.本发明涉及一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，自动化技术领域里一种信号处理方法。


背景技术：

2.本发明设计的是一种微机械(micro-electromechanical systems，mems)陀螺辅助的力反馈模式半球谐振陀螺(hemispherical resonator gyro,hrg)捷联惯性导航系统摇摆基座的无纬度对准方法，更确切地说，是针对航海用的力反馈模式hrg捷联惯性导航系统在受到海浪冲击产生摇摆，载体姿态角速率超过hrg角速率测量范围，并且纬度信息未知的情况下，利用与hrg惯导系统同轴安装的mems陀螺作为角速率测量辅助设备，通过重力矢量几何约束和惯性系对准方法，解决船舶摇摆状况下初始对准与纬度估计的问题。属于自动化技术领域里一种信号处理方法，实现载体处于摇摆且纬度未知情况下的初始对准。
3.半球谐振陀螺仪是一种新型惯导级固体陀螺，它是利用在半球形谐振子上激起的驻波的哥氏效应(coriolis effect)来测量基座旋转角速度的一种新型振动陀螺仪。由于半球谐振陀螺仪无高速运动部件，不需温度控制，内部功耗小，潜在的失效因素最少，因而具有很高的测量精度，超强的稳定性和可靠性，良好的抗冲击振动性和温度性能。尤其是它具有长达15年以上的工作寿命，连续工作15年的可靠度可达0.995。基于上述优势，由半球谐振陀螺仪构建的捷联惯性导航系统将是航海用惯性导航设备的理想选择之一。
4.然而，传统的激光陀螺、光纤陀螺相比，力反馈模式hrg螺测量范围较小，虽然海洋运载器大部分的运动处于低角速率运动状态，但受不同海况的影响，海洋运载器在系泊状态对准过程中可能出现剧烈的摇摆运动，所产生的角速率可能超过力反馈模式hrg测量范围，全角模式hrg虽然测量范围较大，但目前技术不成熟，国内产能低，不适于大规模装备，且目前测量精度低于力反馈模式hrg。
5.mems陀螺虽然测量精度较低，无法达到hrg对于角速率的测量精度，但角速率测量范围较大，可以作为当角速率超过hrg器件测量范围时的角速率测量仪器。因此选用mems陀螺作为辅助设备，实现hrg捷联惯性导航系统的对准。这将为后续船舶导航提供有力的保障。
6.初始对准技术作为捷联惯性导航系统的关键技术，其对准速度和对准精度将直接决定捷联惯性导航系统的启动响应时间和姿态测量精度。传统初始对准技术在启动对准时无需经度信息，但是却严重依赖外部纬度信息，这会降低系统自主性及安全性，影响其战场生存能力。这种影响在摇摆基座下更为显著。
7.摇摆基座条件下，由于海浪摇摆运动引起的角速度远大于地球自转角速度，使得陀螺输出具有较低信噪比，因而无法直接从陀螺输出信息中提取地球自转角速度矢量，此时传统解析式静基座对准方法将无法工作。另外，由于罗经对准和卡尔曼滤波组合对准方法在应用时需要满足失准角是小角度的条件，因而无法完成摇摆基座任意方位航向角条件
下初始对准。
8.尽管在摇摆基座条件下无法直接利用地球自转角速度构建约束方程，惯性系对准方法转而通过利用两个或多个时刻惯性系下重力加速度矢量构建相应约束关系，进而确定姿态变换矩阵，因此被广泛用于摇摆基座初始对准。本质上，基于速度积分形式的双矢量惯性系对准方法属于最小二乘估计范畴，对器件噪声、外界环境振动等干扰都具有较好抑制作用。
9.然而，传统摇摆基座对准方法，包括基于双矢量的惯性系解析式对准方法，在进行初始对准时需要借助gps、信标换能器等外部设备获取当地纬度信息，这会降低捷联惯性导航系统的自主性和安全性。针对水面gps信号失锁、拒止以及水下无法接收定位信号等条件下的摇摆基座初始对准，此时传统摇摆基座初始对准方法将无法完成对准任务，这极大限制了捷联惯性导航系统的应用范围。
10.因此，为解决摇摆基座下无纬度初始对准的问题，本发明提出了一种mems陀螺辅助的力反馈模式hrg捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，首先以微机械陀螺作为辅助设备，实现载体角速率信息的重构；然后针对纬度信息不准确的外界条件，设计了基于惯性系重力表观运动和惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束的纬度估计方法,实现了纬度信息的估计。最后利用姿态矩阵链式法则，将姿态矩阵求解问题转换为三个矩阵：初始时刻姿态矩阵，载体坐标系与凝固载体坐标系矩阵，以及导航坐标系与凝固导航坐标系转换矩阵求解的问题，最终得到载体姿态矩阵，实现无纬度条件下的hrg惯性导航系统初始对准。本方法属于自动化技术领域里一种信号处理方法，可以在纬度信息未知，载体角运动剧烈的恶劣海况下，实现基于力反馈模式hrg捷联惯性导航系统的初始对准。


技术实现要素：

11.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法。
12.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
13.一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，包括以下步骤：
14.步骤一：将力反馈模式的高精度hrg、mems陀螺安装于船舶上，两种陀螺x轴平行指向船右舷方向，y轴指向船艏方向，z轴指向天向，并与装有数据采集软件的计算机相连；
15.步骤二：在船舶对准过程中，同时采集半球谐振陀螺捷联惯性导航系统和mems陀螺的数据；
16.步骤三：通过设置阈值，判断摇摆运动中角速率超过hrg测量范围的数据，通过mems陀螺输出作为hrg捷联惯性导航系统在该轴的角速率输出值；
17.步骤四：基于惯性系重力表观运动，利用惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束估计得到当地纬度信息；
18.步骤五：再利用惯性系对准方法，实现对准；
19.步骤六：将对准得到的姿态矩阵存入导航计算机中，完成对准过程。
20.进一步，步骤三所述的力反馈模式hrg测量精度高，但是测量范围有限，当角运动幅值较大超过力反馈模式hrg陀螺量测范围，无法完成自对准；采用mems陀螺辅助其完成摇
摆状态对准，具体方法为：
21.1)同时采集捷联惯性导航系统hrg的角速率数据和同轴安装mems陀螺所测量得到的角速率信息，根据hrg测量范围，设置阈值λ；
22.2)比较hrg测量值与阈值，选择是否将mems输出作为对准数据，具体方法为：
[0023][0024][0025][0026]
其中，imux，imuy，imuz分别为用于对准的三轴陀螺的数据，t为数据采集的时刻hrgx，hrgy，hrgz分别为hrg三轴陀螺输出的数据，memsx，memsy，memsz分别为mems三轴陀螺输出的数据，λ为设置的阈值，将重构得到的陀螺数据和惯性导航系统的加速度数据用于摇摆基座的对准。
[0027]
进一步，步骤四所述的利用惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束估计得到当地纬度信息，具体方法为：
[0028]
1)重力加速度g在惯性空间内的方向由gi(t1)变成了gi(t2)，gi(t1)和gi(t2)之间的夹角为θ，θ角可以通过下面的公式确定：
[0029][0030]
上式中t1＝t2/2，t2为对准过程中的当前时刻，t1为对准过程中的中间时刻；
[0031]
2)α角为gi(t1)变成gi(t2)过程中转动经过的角度，表达方式为：
[0032]
α＝ω
ie
(t2-t1)；
[0033]
ω
ie
为地球自转角速率。
[0034]
3)根据几何关系：
[0035][0036]
其中l为当地纬度，最终得到纬度估计的表达式：
[0037][0038]
最终得的纬度估计结果l。
[0039]
进一步，步骤五所述的利用惯性系对准方法实现对准，具体方法为：
[0040]
1)根据矩阵链式法则，将展开成分别对分解得到的三个矩阵进行求取；
[0041]
2)由于为常值，即n(t)系相对于n(0)系为定轴转动，由上式可解得的表达方式：
[0042][0043]
其中为表示方便，对于任意三维列向量v＝[v
x v
y vz]
t
，用(v
×
)表示3阶矩阵：
[0044][0045]
其中i为单位矩阵，ω
ie
为地球自转角速率，t为当前时刻。
[0046]
所以有：
[0047]gn(0)
＝-g[sinω
ie
tcosl(1-cosω
ie
t)sinlcosl 1-(1-cosω
ie
t)cos2l]
t
；
[0048]
其中g
n(0)
为重力加速度在n(0)系下的投影。
[0049]
其次，加速度计的比力输出在b(0)系投影为：
[0050][0051]
其中：
[0052][0053][0054][0055]
上式中δθ1与δθ2分别为陀螺测量得到的角速率增量信息，为圆锥误差补偿后得到的等效旋转矢量。
[0056]
3)：使用双矢量定姿算法求解为了降低线运动干扰的影响，在初始对准过程中对式积分处理，记
[0057][0058]
其中和分别为两段时间重力矢量在初始载体坐标系下的投影，和分别为两段时间重力矢量在初始导航坐标系下的投影。
[0059]
两者满足如下关系：
[0060][0061]
通过以下公式，计算得到初始时刻捷联矩阵：
[0062][0063]
为了得到粗对准末了时刻的姿态矩阵，可使用如下公式进行计算
[0064][0065]
据此，得到捷联矩阵，完成纬度估计与初始对准。
[0066]
本发明的有益效果为：
[0067]
本发明针对航海用的力反馈模式hrg捷联惯性导航系统在受到海浪冲击产生摇摆，载体姿态角速率超过hrg角速率测量范围，并且纬度信息未知的情况下，利用与hrg惯导系统同轴安装的mems陀螺作为角速率测量辅助设备，通过重力矢量几何约束和惯性系对准方法，解决船舶摇摆状况下初始对准与纬度估计的问题。
[0068]
本发明的优势在于：使用mems陀螺辅助的hrg捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，可以在现有力反馈模式hrg测量范围较低，且纬度位置的情况下实现摇摆基座对准，对于运动状态和外界纬度信息有较低的要求，具有很高的自主性和鲁棒性。
附图说明
[0069]
图1为本发明方法流程示意图。
[0070]
图2为本发明载体的摇摆状况图。
[0071]
图3为本发明捷联惯性导航系统对准结果图。
[0072]
图4为本发明纬度估计结果图。
具体实施方式
[0073]
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0074]
如图1至图4所示，本实施例所涉及的一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，方法示意图如图1所示。本发明的目的是通过以下步骤来实现的：
[0075]
步骤一、将力反馈模式的高精度hrg、mems陀螺安装于船舶上，两种陀螺x轴平行指向船右舷方向，y轴指向船艏方向，z轴指向天向，并与装有数据采集软件的计算机相连；
[0076]
步骤二、在船舶对准过程中，同时采集半球谐振陀螺捷联惯性导航系统和mems陀螺的数据；
[0077]
步骤三、根据hrg测量范围，通过设置阈值λ，判断摇摆运动中角速率超过hrg测量范围的数据，通过以下公式选择是否将mems输出作为对准数据：
[0078]
[0079][0080][0081]
将重构得到的陀螺数据和惯性导航系统的加速度数据用于摇摆基座的对准。
[0082]
步骤四、基于惯性系重力表观运动,利用惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束估计得到当地纬度信息；
[0083]
重力加速度g在惯性空间内的方向由gi(t1)变成了gi(t2)，gi(t1)和gi(t2)之间的夹角为θ，其中t1＝t2/2，θ角可以通过下面的公式确定：
[0084][0085]
α角为gi(t1)变成gi(t2)过程中转动经过的角度，表达方式为：
[0086]
α＝ω
ie
(t2-t1)；
[0087]
ω
ie
为地球自转角速率。
[0088]
根据几何关系：
[0089][0090]
其中l为当地纬度，最终得到纬度估计的表达式：
[0091][0092]
步骤五、再利用惯性系对准方法，实现对准。
[0093]
根据矩阵链式法则，将展开成分别对分解得到的三个矩阵进行求取；
[0094]
由于为常值，即n(t)系相对于n(0)系为定轴转动，由上式可解得的表达方式：
[0095][0096]
使用以下方法求取：
[0097]
[0098][0099][0100]
上式中δθ1与δθ2分别为陀螺测量得到的角速率增量信息，为补偿后的两采样时刻间的角增量，t为当前时刻，tm为上一个角增量补偿值产生时刻，即两个当前t时刻的两个采样时刻之前。
[0101]
再使用双矢量定姿算法求解
[0102][0103]
为了得到粗对准末了时刻的姿态矩阵，可使用如下公式进行计算
[0104][0105]
步骤六、将对准得到的姿态矩阵存入导航计算机中，完成对准过程。
[0106]
本发明的效果可以通过如下仿真得到验证：
[0107]
仿真实验采用陀螺漂移为0.01/h，角都随机游走为的全角模式半球谐振陀螺、加速度计零偏为10-4
g的惯性器件，采样频率为100hz，陀螺角度测量范围为
±
8/h；mems陀螺漂移为0.5/h，角都随机游走为由于仿真环境下能够实时得到姿态的基准参考值，只要在相同摇摆条件下进行对比实验，便可利用得到的对准误差评价各算法对准性能。因此，仿真设置当地纬度为45.72
°
(哈尔滨)，仿真时间为200s。具体地，仿真设定摇摆平衡位置为横摇0
°
、纵摇0
°
和航向45
°
，初始相位均为0
°
，摇摆运动设置为以下状况：
[0108]
横摇幅值12
°
，周期为8s；
[0109]
纵摇幅值4
°
，周期为5s；
[0110]
艏摇幅值3
°
，周期为5s。
[0111]
仿真结果如图2所示，图2中三个图依次表示摇摆基座和横摇、纵摇和航向(北偏西为正)。
[0112]
对准结果如图3所示，横摇误差为-0.0002
°
，纵摇误差为-0.0006
°
，航向误差为0.7213
°
，可见该算法实现了力反馈模式hrg的对准。因此，本发明提出的方法解决了角速率幅值超过hrg测量范围时，导航系统的角速率测量问题，具有更快的对准收敛速度和更好的噪声抑制能力，同时随着对准时间的增加，姿态估计结果的波动不断减小，为实现姿态估计结果更好的收敛，可以适当增加对准时间。本发明为精对准提供了很好的初始条件
[0113]
纬度估计结果如图4所示，纬度估计误差为0.6699
°
，能够有效对当地纬度信息进行估计，并且具有较好的对准收敛速度，在较短的时间内实现了纬度估计。同时随着对准时间的增加，噪声的影响不断减小，估计结果的波动不断减小，因此，为实现纬度估计结果更
好的收敛，可以适当增加对准时间。本发明为精对准提供了很好的初始条件。
[0114]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。