阮 衛(wèi), 馮連鳴, 國琳娜, 王立文, 張秦南, 洪建英

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捷聯(lián)慣導外場條件下系統(tǒng)級標定技術仿真方法

阮 衛(wèi)1,2, 馮連鳴1, 國琳娜1, 王立文1, 張秦南1, 洪建英1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制國防重點實驗室, 陜西 西安, 710077)

為解決實驗室標定存在成本高, 工作量大的問題, 文中提出了一種外場條件下、免拆卸的系統(tǒng)級標定技術數(shù)值仿真方法, 通過Matlab構建軌跡發(fā)生器、慣性測量組合(IMU)模塊、慣導解算模塊以及濾波器模塊, 編排多位置實驗對IMU誤差進行標定。仿真結果表明, 通過合理的位置設計, 能有效激勵IMU誤差, 從而對IMU誤差進行標定。文中工作可為水下航行器導航定位研究提供參考。

水下航行器; 捷聯(lián)慣導; 軌跡發(fā)生器; 系統(tǒng)級標定

0 引言

捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中, 慣性測量組合(inert- ial measurement unit, IMU)誤差是影響導航精度的重要因素之一, 在IMU出廠前, 必須對慣性器件進行標定以滿足精度要求[1]。然而, 由于種種原因, 隨著時間的推移, 慣性測量組合中電子元器件的老化、所處各種環(huán)境的變化[2], 必然會引起慣性器件誤差參數(shù)發(fā)生變化, 從而導致IMU指標超差(性能指標低于出廠指標), 無法滿足對準和導航的精度要求。因此必須定期對IMU的誤差進行標定。

傳統(tǒng)實驗室標定方法嚴重依賴高精度轉(zhuǎn)臺, 工作量大、成本高, 而且使用和維護不便。因此, 有必要研究IMU外場標定技術。近年來,國內(nèi)外學者對此進行了相關研究, 高偉等[3]提出載體“S”型機動以及增加姿態(tài)信息為外部觀測量等外場標定方案; Li等[4]以速度誤差和角速率誤差作為外部觀測量, 通過估計出每個位置等效天向和北向的陀螺漂移以及天向加計零偏, 用最小二乘法實現(xiàn)誤差估計; 趙曉偉等[5]提出了一種基于載車四位置轉(zhuǎn)位的免拆卸標定方法; 楊曉霞等[6]根據(jù)線性時變系統(tǒng)的可觀性判別理論, 設計組合運動, 完成動態(tài)標定。但外場實際情況下, 可用基準信息較少且機動方式有限。

文中在上述文獻的基礎上, 通過設計完整的系統(tǒng)級標定技術仿真系統(tǒng), 僅以水平速度誤差作為系統(tǒng)觀測量, 對載體進行簡單多位置實驗編排以激勵IMU誤差, 同時結合分段定常系統(tǒng)(piece- wise constant system, PWCS)可觀測分析理論對系統(tǒng)進行可觀性分析。

1 慣性測量組合模塊仿真

文中導航坐標系(系)采用東北天()坐標系, 機體系(系)選右前上。軌跡發(fā)生器可以設置載體的不同機動形式, 再通過慣導基本方程進行解算, 得到陀螺和加速度的比力及其相應的增量, 以模擬慣性測量組合的輸出。

1.1 軌跡發(fā)生器

1) 加速

歐拉角不變, 僅存在縱軸向速度變化, 描述為

2) 滾轉(zhuǎn)

縱軸方向速度不變, 俯仰角和方位角不變, 僅存在橫滾角變化, 描述為

3) 俯仰(抬頭或低頭)

縱軸方向速度不變, 橫滾角和方位角不變, 僅存在俯仰角變化, 描述為

4) 方位轉(zhuǎn)彎

縱軸方向速度保持不變, 俯仰角和橫滾角不變, 僅方位角變化, 描述為

1.2 IMU模塊

通過設置載體的機動形式, 可以進一步通過式(5)~式(13)的計算得到每一時刻的陀螺儀和加速度計的值, 從而模擬IMU數(shù)據(jù)。

1.2.1 陀螺儀數(shù)據(jù)仿真

地球坐標系相對慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)角速率[8]

導航坐標系相對地球坐標系的旋轉(zhuǎn)角速率

機體坐標系相對導航坐標系的旋轉(zhuǎn)角速率

根據(jù)式(5)~式(7)可計算陀螺儀理想數(shù)據(jù)輸出

在式(8)的基礎上加入陀螺儀常值漂移和隨機噪聲, 可模擬實際帶有誤差的陀螺儀輸出

1.2.2 加速度計數(shù)據(jù)仿真

已知捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)速度更新方式為

由式(10)可以反推計算得

多位置實驗仿真中只考慮陀螺儀常值漂移和加速度計常值零偏的影響, 只對陀螺儀常值漂移和加速度計常值零偏進行標定。

1.2.3 IMU模塊Simulink仿真

圖1中, 軌跡發(fā)生器[9]的輸出是載體的歐拉角變化率和機體系的加速度, 表征了載體的機動動作。在Simulink設計中, 以clock模塊為系統(tǒng)的時鐘, 根據(jù)時鐘變化在運動軌跡模塊內(nèi)設置歐拉角變化率和機體系的加速度, 以實現(xiàn)載體的機動, 再通過慣性器件仿真器進行解算, 模擬IMU仿真數(shù)據(jù)。

2 捷聯(lián)慣導解算模塊與卡爾曼濾波器

2.1 捷聯(lián)慣導更新算法

1) 姿態(tài)更新算法(四元素法)

2) 速度更新算法(見式(10))

3) 位置更新算法

圖1 IMU模塊

2.2 卡爾曼濾波器

2.2.1 系統(tǒng)狀態(tài)方程

捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相關誤差為

2.2.2 系統(tǒng)量測方程

外場條件下僅選取速度誤差作為觀測量, 系統(tǒng)量測方程

2.3 PWCS可觀測性分析

系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測性反映了系統(tǒng)狀態(tài)變量的可估計性。在連續(xù)多位置條件下, 捷聯(lián)慣導是一個時變的系統(tǒng), 可采用PWCS對時變系統(tǒng)進行可觀性分析。設離散的線性時變系統(tǒng)

對系統(tǒng)齊次方程式, 由初值表示的系統(tǒng)輸出

3 仿真結果與分析

圖2 三位置實驗方案示意圖

此次仿真總的時間為720 s, 其中20 s是轉(zhuǎn)動時間。圖3與圖4 為帶有實際誤差的IMU數(shù)據(jù)仿真, 圖5與圖6為捷聯(lián)慣導解算模塊解算的實際速度與姿態(tài)角, 圖7的(a)和(b)為陀螺儀常值漂移與加速度計常值零偏估計值與真實值, 圖7(c)為失準角真實值與估計值。

圖3 陀螺儀仿真數(shù)據(jù)輸出曲線

圖4 加速度計仿真數(shù)據(jù)輸出曲線

圖5 導航速度解算值曲線

圖6 姿態(tài)角解算值曲線

圖7 陀螺儀常值漂移、加速度計常值零偏及失準角的估計值曲線

表1 陀螺儀常值漂移估計值與真實值對比

表2 加速度計常值零偏估計值與真實值對比

4 結束語

針對外場標定機動方式有限, 可用基準信息較少, 文中設計了一種系統(tǒng)級標定仿真系統(tǒng), 可對外場條件下載體的機動形式進行仿真分析, 以研究有效激勵IMU誤差的方式。在實際工程中可根據(jù)不同的實際情況, 進行方案設計, 該方法可為水下航行器外場標定提供參考。下一步工作將結合實驗進行驗證。

[1] 黨雅娟, 魯浩, 龐秀枝. 空空導彈捷聯(lián)慣導系統(tǒng)空中標定技術研究[J]. 計測技術, 2010, 30(4): 23-26.Dang Ya-juan, Lu Hao, Pang Xiu-zhi. Research on Infli- ght Calibration Method of SINS on Air-to-air Missile[J]. Metrology & Measurement Technology, 2010, 30(4): 23-26.

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(責任編輯: 楊力軍)

Simulation Method of Systematic Calibration Technology for Strap-Down Inertial Navigation under Outer Field Condition

RUAN Wei1,2, FENG Lian-ming1, GUO Lin-na1, WANG Li-wen1, ZHANG Qin-nan1, HONG Jian-ying1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710077, China)

To solve the problem of high cost and heavy workload for calibration in laboratory, a numerical simulation method of disassembly-free and systematic calibration technology under outer field condition is proposed. The trajectory generator, the module of inertial measurement unit(IMU), the inertial navigation solution module and the filter module are built by using Matlab, and the IMU errors are calibrated by arranging multi-position test. Simulation results show that the IMU errors can be effectively excited by reasonable position design, then the IMU errors can be calibrated. This study may provide a reference for undersea vehicle navigation and positioning research.

undersea vehicle; strap-down inertial navigation; trajectory generator; systematic calibration

TJ630; U666.1; V249.3

A

2096-3920(2018)04-0330-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.009

阮衛(wèi), 馮連鳴, 國琳娜, 等. 捷聯(lián)慣導外場條件下系統(tǒng)級標定技術仿真方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(4): 330-334.

2018-04-03;

2018-04-19.

阮 衛(wèi)(1993-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水中兵器慣性導航技術.