一种基于导航系统的三波束激光测速仪标定方法

摘要

一种基于导航系统的三波束激光测速仪标定方法，有七大步骤：一、将惯组、差分GPS和激光测速仪安装到载体上，装订初始位置参数至导航计算机；二、捷联惯组预热，采集陀螺和加速度计的输出数据；三、对采集到的输出数据进行预处理；四、启动差分GPS和激光测速仪，系统由对准模式切换到SINS/DGPS模式，载体开始运动；五、采集三个不同时刻的载体不同运动状态下测速仪的输出及SINS/DGPS组合导航系统输出；六、利用最小二乘法分别辨识三个激光测速仪的安装角及标度因数误差；七、标定精度评价分析。本发明利用捷联惯导与组合导航系统输出速度精度高的特点对三波束激光测速仪实现精确标定，它在惯性导航技术领域里具有实用价值。

主权项

一种基于导航系统的三波束激光测速仪标定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤1、将捷联惯导系统、差分GPS和激光测速仪安装到载体上，装订初始位置参数即初始的经度、纬度和高度至惯导的导航计算机；步骤2、捷联惯导预热，然后采集陀螺和加速度计的输出数据；步骤3、对采集到的陀螺和加速度计数据进行处理，根据捷联惯导系统误差传播特性和古典控制理论，采用二阶调平和方位估算法来完成系统的粗对准，初步确定载体姿态角；粗对准时间为1分钟，粗对准后利用卡尔曼滤波技术精对准5分钟；步骤4、启动差分GPS和激光测速仪，惯导系统由对准模式切换到SINS/DGPS即捷联惯导系统/差分GPS组合导航模式，切换完成后载体开始运动；步骤5、采集载体不同运动状态下测速仪的输出及SINS/DGPS组合导航系统输出，至少采三个不同时刻的输出；步骤6、利用最小二乘法分别辨识激光测速仪三个波束的安装角及标度因数误差；步骤7、标定精度评价分析；其中，步骤6中所述的最小二乘法辨识三波束激光测速仪的安装角和标度因数误差，具体实现过程说明如下：以三波束激光测速仪中某波束为例介绍它的安装角和标度因数误差标定方法，另外两个波束的安装角和标度因数误差标定方法与此相同；定义V_L为激光测速仪输出，分别为SINS/DGPS在载体系x、y、z三个轴向上的输出，δK为激光测速仪标度因数误差，α、β、γ分别为激光测速仪与载体系x、y、z三个轴向的夹角；测得n个点单波束测速仪输出V_L(1)、V_L(2)…V_L(n)及n个点SINS/DGPS输出其中，n≥3；由$V_L=(1+\mathrm{\delta K})(V_x^b\cos \alpha +V_y^b\cos \beta +V_z^b\cos \gamma )$得$\left[\begin{array}{c}{V}_L\left(1\right)\\ V_L\left(2\right)\\ ·\\ ·\\ ·\\ V_L\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{V}_x^b\left(1\right)& V_y^b\left(1\right)& V_z^b\left(1\right)\\ V_x^b\left(2\right)& V_y^b\left(2\right)& V_z^b\left(2\right)\\ ·& ·& ·\\ ·& ·& ·\\ ·& ·& ·\\ V_x^b\left(n\right)& V_y^b\left(n\right)& V_z^b\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \alpha \\ \cos \beta \\ \cos \gamma \end{array}\right][1+\mathrm{\delta K}]$令$Z=\left[\begin{array}{c}{V}_L\left(1\right)\\ V_L\left(2\right)\\ ·\\ ·\\ ·\\ V_L\left(n\right)\end{array}\right],H=\left[\begin{array}{ccc}{V}_x^b\left(1\right)& V_y^b\left(1\right)& V_z^b\left(1\right)\\ V_x^b\left(2\right)& V_y^b\left(2\right)& V_z^b\left(2\right)\\ ·& ·& ·\\ ·& ·& ·\\ ·& ·& ·\\ V_x^b\left(n\right)& V_y^b\left(n\right)& V_z^b\left(n\right)\end{array}\right],X=\left[\begin{array}{c}\cos \alpha \\ \cos \beta \\ \cos \gamma \end{array}\right][1+\mathrm{\delta K}]$由最小二乘估计公式即解得X的最小二乘估计；由cos²α+cos²β+cos²γ＝1得$\sqrt{\hat{X}{\left(1\right)}^2+\hat{X}{\left(2\right)}^2+\hat{X}{\left(3\right)}^2}=\sqrt{{(1+\mathrm{\delta K})}^2({\cos }^2\alpha +{\cos }^2\beta +{\cos }^2\gamma )}=1+\mathrm{\delta K}$，因此$\mathrm{\delta K}=\sqrt{\hat{X}{\left(1\right)}^2+\hat{X}{\left(2\right)}^2+\hat{X}{\left(3\right)}^2}-1$$\alpha =\arccos (\hat{X}\left(1\right)/\sqrt{\hat{X}{\left(1\right)}^2+\hat{X}{\left(2\right)}^2+\hat{X}{\left(3\right)}^2})$$\beta =\arccos (\hat{X}\left(1\right)/\sqrt{\hat{X}{\left(1\right)}^2+\hat{X}{\left(2\right)}^2+\hat{X}{\left(3\right)}^2})$$\gamma =\arccos (\hat{X}\left(1\right)/\sqrt{\hat{X}{\left(1\right)}^2+\hat{X}{\left(2\right)}^2+\hat{X}{\left(3\right)}^2});$其中，步骤7中所述的标定精度评价分析，具体实现过程说明如下：将标定结果δK、α、β、γ代入${\hat{V}}_L=(1+\mathrm{\delta K})(V_x^b\cos \alpha +V_y^b\cos \beta +V_z^b\cos \gamma )$，得通过下列标准差计算公式计算与测速仪实际输出值V_L(1)、V_L(2)…V_L(n)之间的离散程度，由此判断标定结果的精确度；$\sigma =\sqrt{({[{\hat{V}}_L\left(1\right)-V_L\left(1\right)]}^2+{[{\hat{V}}_L\left(2\right)-V_L\left(2\right)]}^2+···+{[{\hat{V}}_L\left(n\right)-V_L\left(N\right)]}^2)/(n-1)}.$