雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)在線標定技術

劉永紅，劉明雍，謝　波，王海淼

雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)在線標定技術

劉永紅1，劉明雍1，謝波2，王海淼2

（1. 西北工業(yè)大學 航海學院， 陜西 西安， 710072； 2. 中國航天科技集團公司 第9研究院第16研究所， 陜西西安， 710100）

激光捷聯慣導系統(tǒng)中陀螺和加速度計誤差是影響系統(tǒng)導航精度的關鍵因素， 結合雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)自身的結構特點， 提出了一種以速度誤差和位置誤差作為量測信息的雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)在線標定方法， 該方法可以在靜態(tài)及行進等不同狀態(tài)下完成在線標定。車載試驗結果表明， 在外場沒有試驗室標定設備如標定平板、高精度轉臺的條件下， 按文中設計的標定路徑及標定方法， 可以準確估計出激光陀螺和加速度計的各項誤差參數。該標定方法對標定環(huán)境、標定設備要求較低， 且方法原理簡單、易于實現。

激光捷聯慣導系統(tǒng)； 在線標定； 量測信息； 標定路徑

0　引言

采用傳統(tǒng)的十二位置標定法、速率標定法或多位置系統(tǒng)級標定方法在試驗室可以事先標定出激光陀螺和石英加速度計的零位（零偏）、安裝誤差及刻度因數誤差。但激光陀螺零位和石英加速度計零偏存在逐次啟動不重復性誤差， 加速度計的刻度因數也會隨時間發(fā)生變化， 此外， 安裝誤差也會隨溫度、振動等發(fā)生變化。因此需要一定時間間隔內拆卸激光捷聯慣導系統(tǒng)進行標定， 在工程實用中較不方便。文獻［1］和［2］中的系統(tǒng)級標定方法均需一定的標定測試設備進行輔助， 且只能在靜基座條件下進行標定； 文獻［3］和［4］主要對加速度計外場標定進行了介紹。文中， 充分利用雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)自身的結構特點，以速度誤差和位置誤差作為量測信息來進行在線標定。該方法不僅在靜態(tài)條件下可以進行在線標定， 在行進中也可以完成在線標定。試驗驗證了這種算法的有效性。

1　慣性器件誤差模型

在介紹雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)在線標定技術前， 先對石英加速度計和激光陀螺的誤差模型進行介紹。文中所選參考系為加速度計坐標系。

加速度計誤差模型如下

激光陀螺儀的誤差模型

2　在線標定算法

根據雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)自身的結構特點， 可將速度誤差和位置誤差作為量測信息對各誤差參數進行在線標定［5-7］。

2.1系統(tǒng)誤差方程

1） 姿態(tài)誤差方程

2） 速度誤差方程

3） 位置誤差方程

4） SINS慣性器件誤差模型

2.2濾波器設計

1） 狀態(tài)變量的選取

為了實現激光捷聯慣導系統(tǒng)的在線標定， 文中選取的狀態(tài)變量如下（共33D），

2） 觀測量的選取

由于在線標定過程中無法提供姿態(tài)基準， 因此姿態(tài)誤差是無法測量的， 激光捷聯慣導系統(tǒng)的速度、位置可依據GPS的測量值作為基準。文中選取觀測量為

式中： VI， IP分別為激光捷聯慣導系統(tǒng)的速度、位置輸出； VGPS， PGPS分別為GPS的速度、位置輸出。另外， 在靜基座條件下， 可將速度為0， 位置為當地地理位置作為速度、位置基準來代替GPS測量信息。

至此可以寫出Kalman濾波器的系統(tǒng)方程和量測方程

式中： F（t）為系統(tǒng)矩陣， 由式（3）～式（8）得到；H（t）為量測矩陣， 由式（10）得到； W（ t）， V（ t）分別為系統(tǒng)噪聲和量測噪聲。

2.3標定路徑設計

為了實現激光捷聯慣導系統(tǒng)的所有誤差參數的在線標定， 必須設計合適的標定路徑對各誤差量進行充分的激勵［2］。文中設計的標定路徑如表1所示。

表1　在線標定路徑Table 1　The route of online calibration

3　試驗驗證

將激光捷聯慣導系統(tǒng)安裝在試驗車上， 當轉位機構的內外框架角都為0°時， 激光捷聯慣組的Z軸與轉位機構的內框架軸重合， Y軸與轉位機構的外框架軸重合。激光捷聯慣導系統(tǒng)上電， 使激光捷聯慣組繞其Y軸正轉90°， 此時外框架角為90°， X軸豎直向上， 此位置為標定的初始位置，然后按表1的標定路徑進行在線標定試驗。表2為在線標定結果。在車載環(huán)境下， 加速度計二次項有關的誤差系數對激光陀螺捷聯慣導系統(tǒng)定位精度影響較小， 因此試驗中沒有考慮加速度計二次項有關的誤差系數。

表2　在線標定結果Table 2　The results of online calibration

從表2可以看出， 在線標定修正前、后3個陀螺零位誤差較大， 分別為-0.014 089 33 （^）/S、-0.026 614 12 （^）/S和-0.005 866 07 （^）/S， x加速度計刻度因數誤差也發(fā)生了較明顯的變化， 為2.144 513 44 （^）/（s.g）。其他誤差項雖存在變化，但不明顯。為了對在線標定結果進行驗證， 利用在線標定修正前、后進行約5 h的旋轉調制導航，圖1～圖2分別是旋轉調制導航緯度誤差曲線圖和經度誤差曲線圖。

從圖中可看出， 在線標定修正后， 激光陀螺捷聯系統(tǒng)導航定位誤差有明顯改善。修正前， 5 h導航定位緯度誤差最大為9 154.7 m， 經度誤差最大為10 218.1 m； 修正后， 5 h導航定位緯度誤差最大為2 130.1 m， 經度誤差最大為3 036.2 m。

圖1　緯度誤差曲線圖Fig. 1　Curves of latitude errors versus time

圖2　經度誤差曲線圖Fig. 2　Curves of longitude errors versus time

4　結束語

文中提出的雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)誤差參數標定方法， 充分利用了雙軸旋轉激光捷聯慣導系統(tǒng)自身的結構特點， 不僅在靜態(tài)條件下可以進行在線標定， 而且在行進中也可以完成在線標定。試驗結果表明， 在外場沒有試驗室標定設備如標定平板、高精度轉臺的條件下， 按文中設計的標定路徑及標定算法， 可以準確標定出激光陀螺和加速度計的各項誤差參數。該標定方法對標定環(huán)境、標定設備要求較低， 適合工程需求， 且算法原理簡單、易實現， 值得推廣使用。

［1］吳賽成. 激光陀螺慣性測量單元系統(tǒng)級標定方法［J］.中國慣性技術學報， 2011， 19（2）： 185-189.

Wu Sai-cheng. Systematic Calibration Method for RLG inertial Measurement Unit［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2011， 19（2）： 185-189.

［2］謝波. 激光陀螺捷聯慣導系統(tǒng)多位置標定方法［J］. 中國慣性技術學報， 2011， 19（2）： 157-162.

Xie Bo. Multiposition Calibration Method of Laser Gyro SINS［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2011，19（2）： 19（2）： 157-162.

［3］毛澤友. 無依托狀態(tài)加速度計的新型標定方法［J］. 北京航空航天大學學報， 2011， 37（1）： 123-126.

Mao Ze-you. Novelcalibration Method for Accelerometers of In-field Use［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2011， 37（1）： 123-126.

［4］吳文啟. 激光陀螺捷聯慣導系統(tǒng)參數穩(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. Parameter Stability and Outfield Self-calibration of RLG-SINS［J］. Journal of Chinese Inertial Technology，2011， 19（1）： 11-15.

［5］Goshen M D， Bar-Itzhack I Y. Observability Analysis of Piece Wise Constant Systems［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1992， 28（4）： 1068-1075.

［6］Hao Y L， Liu Z P. Analysis and Compensation on Static Error of Accelero Meter in GFSINS［C］//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation： Hunan， 2009： 429-43.

［7］Fong W T， Ong S K， Nee A Y C. Methods for in-field User Calibration of an Inertial Measurement Unit without External Equipment［J］. Measurement Science and Technology， 2008， 19（8）： 1-11.

（責任編輯： 楊力軍）

Online Calibration Technology of Two-axis Rotation Laser SINS

LIU Yong-hong1，LIU Ming-yong1，XIE Bo2，WANG Hai-miao2
（1. School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072， China； 2. The 16 Institute of the 9th Academy， China Aerospace Science and Technology Corporation， Xi′an 710100， China）

The errors of gyros and accelerometers are the key factors affecting the precision of navigation of laser strap-down inertial navigation system（SINS）. Based on the framework feature of two-axis rotation laser SINS， an online calibration method was proposed in this study by taking velocity and position errors as measurement information. This method can implement online calibration when the laser SINS are in both stable and moving conditions. Vehicle-borne test indicates that the error parameters of laser gyros and accelerometers can be calibrated precisely with the proposed calibration method and calibration route in the case without calibration devices such as the calibration flat and precise turntable. This calibration method is simple in principle and implementation， and does not require strict conditions for environment and equipment.

laser strap-down inertial navigation system（SINS）； online calibration； measurement information； calibration route

TJ630.33； U666.1

A

1673-1948（2015）03-0218-04

2015-02-28；

2015-05-12.

劉永紅（1981-）， 女， 在讀博士， 高級工程師， 主要研究方向為慣性導航技術.