一种平台式惯性导航系统的系统级补偿方法

摘要

为了消除惯性导航系统在使用过程中出现的缓慢积累的误差的问题，本发明提出了一种平台式惯性导航系统的系统级补偿方法，该方法利用现有船用长航时两套惯性导航系统独立工作、互为备份的条件，将航用陀螺改为双轴陀螺，利用其输出信息进行数据处理，修正陀螺的漂移，该方法能够有效地减小平台式惯性导航系统的体积、重量，同时消除惯性导航系统在使用过程中出现的缓慢积累的误差，提高系统的可靠性。

主权项

一种平台式惯性导航系统的系统级补偿方法，其特征在于：该方法具体实现的步骤如下：步骤一：在舰船航行过程中，采用的两套双轴旋转调制式惯性导航系统在相同的工作模式下工作，其误差传播规律相同；所述的两套双轴旋转调制式惯性导航系统为系统1和系统2；系统1和系统2工作时间t后，在一段时间内采集系统1和系统2三个轴向的陀螺输出，将陀螺输出求平均值，两个系统三个轴向的陀螺输出的平均值分别为：系统1$\left[\begin{array}{c}{\omega }_{x1}^{\prime }\\ {\omega }_{y1}^{\prime }\\ {\omega }_{z1}^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\omega }_x+{ϵ}_{x1}+{\delta }_{x1}\left(0\right)\\ {\omega }_y+{ϵ}_{y1}+{\delta }_{y1}\left(0\right)\\ {\omega }_z+{ϵ}_{z1}+{\delta }_{z1}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$其中ω′_x1、ω′_y1和ω′_z1为系统1的x、y、z轴向陀螺的输出平均值，ω_x、ω_y和ω_z为载体三个轴向真实的角速率值，ε_x1、ε_y1和ε_z1为系统1的x、y、z轴向的陀螺漂移，δ_x1(0)、δ_y1(0)和δ_z1(0)为系统1俯仰角、横滚角和方位角的初始偏差；系统2$\left[\begin{array}{c}{\omega }_{x2}^{\prime }\\ {\omega }_{y2}^{\prime }\\ {\omega }_{z2}^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\omega }_x+{ϵ}_{x2}+{\delta }_{x2}\left(0\right)\\ {\omega }_y+{ϵ}_{y2}+{\delta }_{y2}\left(0\right)\\ {\omega }_z+{ϵ}_{z2}+{\delta }_{z2}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$其中，ω′_x2、ω′_y2和ω′_z2为系统2的x、y、z轴向陀螺的输出平均值，ε_x2、ε_y2和ε_z2为系统2的x、y、z轴向的陀螺漂移，δ_x2(0)、δ_y2(0)和δ_z2(0)为系统2的俯仰角、横滚角和方位角初始偏差；所述的系统1和系统2的初始偏差在初始对准过程中进行标定，为已知量；将两个系统三个轴向的陀螺输出的平均值相减，得到：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime }\\ {\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime }\\ {\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\omega }_{x1}^{\prime }-{\omega }_{x2}^{\prime }\\ {\omega }_{y1}^{\prime }-{\omega }_{y2}^{\prime }\\ {\omega }_{z1}^{\prime }-{\omega }_{z2}^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{x1}-{ϵ}_{x2}+{\delta }_{x1}\left(0\right)-{\delta }_{x2}\left(0\right)\\ {ϵ}_{y1}-{ϵ}_{y2}+{\delta }_{y1}\left(0\right)-{\delta }_{y2}\left(0\right)\\ {ϵ}_{z1}-{ϵ}_{z2}+{\delta }_{z1}\left(0\right)-{\delta }_{z2}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$步骤二，在系统1正常工作的状态下，绕轴分时反转系统2的惯性组件，绕轴分时反转的方案如下：①系统2的惯性组件绕z轴旋转180度，此时x和y轴与旋转前相比方向相反，在系统2的惯性组件旋转所对应的时间内，采集系统1和系统2的x和y轴陀螺的输出，将x和y轴陀螺的输出求平均值，得到ω″_x1、ω″_y1、ω″_x2和ω″_y2：ω″_x1＝ω′_x+ε_x1+δ_x1(0)            (4)ω″_y1＝ω′_y+ε_y1+δ_y1(0)ω″_x2＝‑ω′_x+ε_x2+δ_x2(0)            (5)ω″_y2＝‑ω′_y+ε_y2+δ_y2(0)其中，ω′_x和ω′_y分别为数据采集时载体x和y轴向真实的角速率值；将两个系统的x和y轴陀螺输出的平均值相加，得到：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime \prime }\\ {\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime \prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\omega }_{x1}^{\prime \prime }+{\omega }_{x2}^{\prime \prime }\\ {\omega }_{y1}^{\prime \prime }+{\omega }_{y2}^{\prime \prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{x1}+{ϵ}_{x2}+{\delta }_{x1}\left(0\right)+{\delta }_{x2}\left(0\right)\\ {ϵ}_{y1}+{ϵ}_{y2}+{\delta }_{y1}\left(0\right)+{\delta }_{y2}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$②系统2的惯性组件绕x轴旋转180度，此时z轴与旋转前相比方向相反，在系统2的惯性组件旋转所对应的时间内，采集系统1和系统2的z轴陀螺的输出，将z轴陀螺的输出求平均值，得到ω″_z1和ω″_z2：ω″_z1＝ω′_z+ε_z1+δ_z1(0)            (7)ω″_z2＝‑ω′_z+ε_z2+δ_z2(0)其中，ω′_z为数据采集时载体z轴向真实的角速率值；将两个系统的z轴陀螺输出的平均值相加，得到：Δω″_z＝ω″_z1+ω″_z2＝ε_z1+ε_z2+δ_z1(0)+δ_z2(0)  (8)将方程(6)和(8)合并，得到：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime \prime }\\ {\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime \prime }\\ {\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime \prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\omega }_{x1}^{\prime \prime }+{\omega }_{x2}^{\prime \prime }\\ {\omega }_{y1}^{\prime \prime }+{\omega }_{y2}^{\prime \prime }\\ {\omega }_{z1}^{\prime \prime }+{\omega }_{z2}^{\prime \prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{x1}+{ϵ}_{x2}+{\delta }_{x1}\left(0\right)+{\delta }_{x2}\left(0\right)\\ {ϵ}_{y1}+{ϵ}_{y2}+{\delta }_{y1}\left(0\right)+{\delta }_{y2}\left(0\right)\\ {ϵ}_{z1}+{ϵ}_{z2}+{\delta }_{z1}\left(0\right)+{\delta }_{z2}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$③系统2的惯性组件绕z轴旋转180度，z轴旋转完成后系统2的惯性组件再绕x轴旋转180度，系统2的惯性组件即恢复到初始位置；将方程(3)和(9)相加，得到系统1的陀螺漂移为：$\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{x1}\\ {ϵ}_{y1}\\ {ϵ}_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime \prime }}{2}-{\delta }_{x1}\left(0\right)\\ \frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime \prime }}{2}-{\delta }_{y1}\left(0\right)\\ \frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime \prime }}{2}-{\delta }_{z1}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$将方程(3)和(9)相减，得到系统2的陀螺漂移为：$\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{x2}\\ {ϵ}_{y2}\\ {ϵ}_{z2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime \prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_x^{\prime }}{2}-{\delta }_{x2}\left(0\right)\\ \frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime \prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_y^{\prime }}{2}-{\delta }_{y2}\left(0\right)\\ \frac{{\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime \prime }+{\mathrm{\Delta \omega }}_z^{\prime }}{2}-{\delta }_{z2}\left(0\right)\end{array}\right]---\left(11\right)$步骤三：根据公式(10)和(11)得到两系统的陀螺漂移，将两系统的陀螺漂移代入到平台式惯性导航系统中进行修正，以实现平台式惯性导航系统的系统级补偿。