空间稳定惯性导航系统姿态精度校准

空间稳定惯性导航系统姿态精度校准

在空间稳定的随机性指导系统中，螺母偏差、速度计和平台误差导致的位置、速度和姿态误差。最严重的是陀螺漂移,它能引起位置和航向角误差发散。因此系统启动时,需通过初始对准和标定辨识陀螺系数。其次是加速度计误差,它不仅与运动距离成正比,而且影响陀螺漂移系数估计,因此需要精确估计和补偿。最后是平台内部安装误差,它会影响陀螺的几何位置,使得壳体和转子位置不一致,从而产生位置误差,而框架角零偏和平台相对于基座的安装误差则直接影响姿态精度,进而影响武器系统对准精度。陀螺漂移系数在系统对准时进行实时估计和补偿,而其它误差需要在系统对准前严格标定和补偿,如果是时变的,还需要实时估计。这样,除陀螺漂移外,加速度计和平台误差需要严格标校。对于加速度计,用多位置法标定元器件参数;对于平台,框架角零偏和平台相对于基座的安装误差是固定误差,下文简称安装误差。系统安装时可以测量这些误差,其精度在角分级。当安装好系统时,以上误差将反映到导航误差上,因此可以利用导航误差进行系统级的参数标定。考虑到框架角零偏和安装误差与姿态误差存在直接对应关系,研究利用姿态误差标定加速度计参数、框架角零偏和安装误差是可行的。另外,在系泊条件下很难获得姿态基准,因此无法准确地辨识框架角零偏,而在实验室条件下可以利用三轴摇摆台获得姿态误差,从而进行参数辨识和补偿,以提高导航精度,所以有必要在实验室条件下利用姿态误差进行参数标校。对于空间稳定惯性导航系统姿态误差的研究,文献给出了姿态误差公式,考虑了加速度计的误差和陀螺误差,并用位置误差和陀螺漂移形式表示。本文在此基础上,利用文献[2,9-11]的理论基础,以姿态误差作为观测量,进行可辨识性讨论和分析,设计标定方法和试验方案,据此,利用静态倾斜试验进行参数标定和校准。1气动误差的uΦ表示横摇角、纵摇角和航向角的组合,即:姿态解算中一般利用载体坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵Cbn解算姿态,对于空间稳定导航系统,式中,b表示载体标坐标系;e表示地球坐标系;p表示平台坐标系,它由外环轴、中环轴和台体轴决定;表示平均平台坐标系,各矩阵定义见文献。利用扰动法,由式(2)可得导航坐标系中的姿态误差δΦn为:根据式(3)可得姿态误差主要由4个误差矩阵组成,其对应的传感器和安装误差如下:由加速度计误差和陀螺误差引起的姿态误差,对应δCen和;由壳体翻滚失准角引起的姿态误差,对应,文献已经解决。关于Cbp的解算见文献,一方面,外框轴、中框轴和台体轴的零偏会引起δCbp,另外一方面,平台与载体之间的安装误差,下文简称安装误差,会引起δCbp。1.1加速度计误差的影响加速度计的零偏、标度因数和安装误差会引起横摇角和纵摇角周期为24hr和12hr的姿态误差分量,而航向角还受陀螺漂移影响,根据文献,姿态误差可用谐波表示为:而对于航向角,加速度计误差和陀螺漂移误差相互耦合,因此本文只辨识与横摇角和纵摇角有关的加速度计的零偏▽x、▽y,安装误差角和标度因素。1.2安装误差外框与载体水平面不垂直引起的误差在载体坐标系表示为(δkxbδkybδkzb)T,对应姿态误差为:1.3外框、中框和台体轴零偏引起的误差考虑到纵横摇角都为小量,从式(3)得到外框、中框和台体轴零偏引起的误差(具体推导见文献):式中,L为当地纬度,δq、δh和δSt为外框角、中框角和台体轴零偏。1.4姿态误差分离出的参数综合以上三部分误差,可得导航坐标系中的姿态误差为:从姿态误差公式可知,加速度计参数中4个参数是可以分离的,还有4个参数只能合并成2个参数,而框架角零偏和安装误差通过改变航向角是可以分离δkxb和δkyb,因此从姿态误差中可以分离出11个参数,记为:文献用了比力误差、位置误差和姿态误差信息,能辨识14个参数。本文只利用姿态误差,降低了试验条件,因此能辨识参数略少于文献。2识别能力2.1加速度计及参数设计静态且ψ=0的条件下,令则有:考虑到信号周期为24hr和12hr,设计采样频率1Hz,样本长度4天,对应变化范围为0~8π,可利用最小二乘法得到:获得后,即可根据式(5)获得加速度计的各项参数。2.2b、规角零偏+kzb分离扣除加速度计误差后,根据式(8),横摇角和纵摇角为零时,δkxb、δkyb引起的横摇角和纵摇角误差随航向角变化而变化,如式(14)所示:而δkzb与外框角零偏耦合,因此在辨识外框角零偏后分离。同理可以用式(13)的最小二乘法获得δkxb和δkyb。2.3零偏补偿原理补偿加速度计参数和δkxb、δkyb后,根据式(8),在姿态为零的条件下,得到姿态零偏与框架角零偏关系:可求解得出δSt、δh和δq+δkzb并进行补偿。3系统参数估计误差量值出现误差的姿态为辨识加速度计参数和框架角零偏,设计了4天静态试验;为辨识δkxb和δkyb,设计了变航向试验,整个试验中进行了各种倾斜试验,以考核各种工作条件下的姿态精度,如图1所示。从估计值可知,系统级标定前,加速度计误差、框架角零偏和安装误差引起的姿态误差高达几百角秒。利用获得的系统参数估计值,对导航解算方程实行校准。校准后,横摇角和纵摇角误差减小了60%,航向角误差减小了40%。由于参数真值未知,因此很难鉴定参数标定精度,但从式(8)可知,参数标定的误差将引起姿态误差,因此可以用校准后的姿态误差鉴定标定精度,据此,系统参数估计误差量值小于15%的姿态精度指标。利用导航解算方法得到姿态误差后,参数估计值如下:4框架角零偏和安装误差的辨识本文给出了空间稳定惯性导航系统姿态误差的解析表达式,误差源包括陀螺漂移、加速度计误差、框架角零偏和安装误差;