激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場快速標定新方法

賈繼超，秦永元，張 波，吳訓忠

（1.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072；2.航天第十六研究所，西安 710100；3.空軍工程大學工程學院，西安 710038）

激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場快速標定新方法

賈繼超1,2，秦永元1，張 波2，吳訓忠3

（1.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072；2.航天第十六研究所，西安 710100；3.空軍工程大學工程學院，西安 710038）

針對激光陀螺具有標度因數(shù)穩(wěn)定、漂移誤差變化小的特點，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的陀螺及加速度計組件簡化誤差參數(shù)模型，推導出了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場快速自標定的誤差模型，設計了激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)9位置系統(tǒng)級標定方法，并通過試驗驗證了該方法可快速準確的標定出加速度計組件的標度因數(shù)、安裝誤差、零偏及激光陀螺安裝誤差等 15個主要參數(shù)，方法簡單易行。

激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)；參數(shù)穩(wěn)定性；系統(tǒng)級標定；誤差參數(shù)辨識

通過系統(tǒng)級標定技術進行捷聯(lián)慣性系統(tǒng)誤差參數(shù)的快速估計與補償，是解決參數(shù)性能保持期問題、提高系統(tǒng)精度的重要途徑之一[1]。文獻[2-3]的系統(tǒng)級標定方法，結合姿態(tài)矩陣，靜態(tài)下以加速度計比力測量值在當?shù)厮降乩碜鴺讼迪碌耐队盀橛^測量，經(jīng)過靜止—轉動—靜止的標定過程，可以標定出陀螺、加速度計組件的標度因數(shù)、安裝誤差角及零偏等全部 24個主要參數(shù)。文獻[4]設計了一種多位置連續(xù)轉動標定方案，通過測量每個位置靜態(tài)導航狀態(tài)下的速度誤差，采用最小二乘法，全面辨識所有24個誤差參數(shù)。文獻[5]基于激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性統(tǒng)計分析，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場自標定的加速度計組件誤差參數(shù)模型。以慣性組合轉動后重新調(diào)平的水平姿態(tài)修正量以及靜態(tài)下重力測量誤差為觀測量，不依賴外界方向姿態(tài)轉角等基準信息，實現(xiàn)了加速度計組件主要誤差參數(shù)在外場條件下的自標定，并給出了標定參數(shù)的修正方法。

本文在上述研究基礎上，利用激光陀螺標度因數(shù)穩(wěn)定、漂移誤差變化小的特點，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場快速自標定的簡化誤差參數(shù)模型，推導出了適合激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外場快速自標定的誤差模型，提出了激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)9位置系統(tǒng)級標定方法，并通過試驗驗證了該方法可快速準確的標定出系統(tǒng)各項誤差系數(shù)。

1 誤差參數(shù)標定模型

1.1 慣性組件誤差模型

不考慮加速度計標度因數(shù)的非線性影響，加速度計組合的誤差模型可寫為：

激光陀螺具有標度因數(shù)穩(wěn)定、零偏誤差變化小的特點[5]，激光陀螺標度因數(shù)和零偏可作為外場自標定的基準，由安裝誤差引起的激光陀螺的誤差模型如下：

從式(1)和式(2)可以看出，所建立的激光陀螺及加速度計組件簡化誤差參數(shù)模型一共包括 15個誤差參數(shù)，較大多數(shù)文獻中所建立的慣性儀表誤差模型少了9個參數(shù)，有利于簡化標定算法，縮短標定時間，更適合外場條件下的快速標定。

1.2 誤差參數(shù)標定模型

文獻[6]給出了導航速度誤差與慣性儀表誤差參數(shù)之間的代數(shù)關系，結合上節(jié)給出的慣性組件誤差模型，可以推導出適合激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)快速標定的誤差模型如下式所示：

2 系統(tǒng)級標定方案設計

2.1 標定位置編排

本標定方法是基于激光陀螺捷聯(lián)慣導多位置翻滾試驗進行的，試驗可分為靜止—轉動—靜止三個階段。首先在靜止狀態(tài)下對慣導進行解析粗對準；然后，按照預先設計的位置編排旋轉慣導，在轉動完成并靜止后，以加速度計比力測量值在當?shù)厮降乩碜鴺讼迪碌耐队盀橛^測量，作為導航誤差觀測量。

起始位置機體系大致指向東北天，啟動激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)；在第一個位置靜止2 min后，按圖1中所示方向轉動到第二個位置；靜止2 min后再轉到第三個位置，按圖1中位置編排依次進行；到第9個位置靜止2 min后即可關閉系統(tǒng)，利用保存的加速度計和陀螺儀脈沖數(shù)據(jù)對系統(tǒng)15個誤差系數(shù)進行標定。

圖1 9位置標定位置編排Fig.1 Nine-position calibration arrangement

2.2 系統(tǒng)誤差系數(shù)確定

3 試驗驗證

試驗采用的某型激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)由三個激光陀螺和三個石英撓性加速度計等組成。試驗過程中不采用任何轉臺，直接采用人工手動方式在平板上完成標定測試。在一次啟動激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)過程中做三組9位置試驗。每組9位置試驗需要時間在0.5h以內(nèi)。試驗結果如表1所示。

表1 9位置標定試驗結果Tab.1 Test results of nine-position

表1第2列為三次9位置法標定結果的均值，第3列為三次9位置法標定結果的極差，第4列為利用傳統(tǒng)標定方法標定出的基準值，第5列為9位置法相對于基準值的標定誤差。表1中Mx、My、Mz分別為加速度計x、y和z的標度因數(shù)，從表1中可以看出，利用9位置標定方法和傳統(tǒng)標定方法的標定結果精度相當，其中加速度計零偏最大相差 33μg，加速度計標度因數(shù)最大相差2.8×10-5，加速度計安裝誤差最大相差6.2″，陀螺儀安裝誤差最大相差5.4″。

4 結 論

本文從工程需要的角度出發(fā)，提出了一種適用于激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的9位置快速標定方法，該方法通過合理的位置編排，靜態(tài)下以加速度計比力測量值在當?shù)厮降乩碜鴺讼迪碌耐队盀橛^測量，經(jīng)過靜止—轉動—靜止的標定過程，可以標定出加速度計組件的標度因數(shù)、安裝誤差角、零偏及陀螺安裝誤差15個主要參數(shù)。通過實際系統(tǒng)進行標定發(fā)現(xiàn)，9位置標定與傳統(tǒng)標定方法相比：標度精度相當，標定時間節(jié)約一半以上。本文提出的激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)快速標定方案具有較高的工程應用價值。

（References）：

[1]Titterton D H,Weston J L.Strapdown inertial navigation technology[M].London,United Kingdom:Peter Peregrinus Ltd.,2004.

[2]Savage P G.Strapdown analytics[M].Maple Plain,Minnesota:Strapdown Associates,Inc.,2007.

[3]Zhang H,Wu Y,Wu M.A multi-position calibration algorithm for inertial measurement units[C]//AIAA Guidance,Navigation and Control Conference and Exhibit.Honolulu,Hawaii,2008.

[4]Xie Bo,Qin Yongyuan.Wan Yanhui.A-high-accuracy calibration method of optical gyro SINS[C]//3rd international symposium on Aeronautics and Astronautics.Harbin,2010:507-511.

[5]吳文啟，張巖，張曉強，潘獻飛.激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性與外場自標定[J].中國慣性技術學報，2011，19(1)：11-15.WU Wen-qi,ZHANG Yan,ZHANG Xiao-qiang,PAN Xianfei.Parameter stability and outfield self-calibration of RLG-SINS [J].Journal of Chinese Inertial Technology,2011,19(1):11-15.

[6]楊曉霞，黃一.激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的一種系統(tǒng)級標定方法[J].中國慣性技術學報，2008，16(1)：1-7.YANG Xiao-xia,HUANG Yi.Systematic calibration method for laser gyro SINS[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2008,16(1):1-7.

[7]張亮.激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的系統(tǒng)級標定方法研究[D].北京：中國運載火箭技術研究院，2007.ZHANG-Liang.Research on the systematic calibration method for laser gyro SINS[D].Beijing:China Academy of Launch Vehicle Technology,2007.

New fast systematic calibration method for RLG-SINS

JIA Ji-chao1,2,QIN Yong-yuan1,ZHANG Bo2,WU Xun-zhong3
(1.Department of Automatic Control,Northwestern Polytechnical University,Xi’ an 710072,China;2.16th Institute,China Aerospace &Technology Corp.,Xi’an 710100,China;3.College of Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

In view that RLG’s scale factor is stable,and its drift error has little change,a simplified error parameter model of gyro and accelerometer components is presented.The error model suitable for RLG-SINS fast outfield self-calibration is derived,and a nine-position systematic calibration method for RLG-SINS is designed.The experiments results show that the new method can rapidly calibrate the overall fifteen error parameters of RLG-SINS with high accuracy.In addition,this method is simple and feasible.

RLG-SINS;parameter stability;systematic calibration;error parameter identification

U666.1

：A

1005-6734(2014)01-0023-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.01.006

2012-6-21；

：2013-10-24

武器裝備預研項目（51309040501）

賈繼超（1977—），男，博士后，從事慣性導航技術研究。E-mail：jjcnwpu@sohu.com

聯(lián) 系 人：秦永元（1946—），男，教授，博士生導師。E-mail：qinyongyuan@nwpu.edu.cn