CN102607595B - 应用激光多普勒测速仪测试捷联挠性陀螺动态随机漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用激光多普勒测速仪测试捷联挠性陀螺动态随机漂移的方法，属于惯性技术领域。所述的测试方法中，将被测试挠性捷联惯组安装在试验车上；挠性捷联惯组上电预热，直至稳定；同步采集挠性捷联惯组数据、激光多普勒测速仪数据；试验车保持静止，利用卡尔曼滤波器进行基于航向180度的两位置静基座初始对准；试验车启动，开始跑车，全程进行惯性/多普勒组合导航估算；本发明所提出的方法以激光多普勒测速仪精确的速度测量为观测信息，通过卡尔曼滤波器估算挠性陀螺在车载动态环境下随机漂移误差大小，弥补当前仅采用实验室多位置法标定测试评价的不足，为挠性陀螺及挠性惯组动态精度分析提供辅助分析手段和评价依据。

Description

应用激光多普勒测速仪测试捷联挠性陀螺动态随机漂移的方法

技术领域

本发明属于惯性技术领域，涉及挠性捷联惯组中挠性陀螺的动态随机漂移测试方法，具体地说，是指一种以激光多普勒测速仪的速度信息为观测量，通过卡尔曼滤波器估算挠性惯组中挠性陀螺车载动态环境下随机漂移误差的方法。

背景技术

挠性陀螺是一种机械式双自由度陀螺仪。自问世至今，挠性陀螺已广泛应用在各种导航、制导与控制系统中。在实际应用中，挠性陀螺仪的角速度测量值中存在着由于各种内部及外部因素产生的漂移误差。

挠性惯组一般包含两个双自由度挠性陀螺和三个线加速度计，分别敏感载体三个正交轴向的角速度和线加速度。挠性捷联惯组在使用前必须对挠性陀螺进行误差标定，得到误差模型中的相应系数，然后对挠性陀螺的测量值进行补偿，才能得到真实的角速度信息。

现有的挠性陀螺或挠性捷联惯组标定采用的是静态多位置标定方法，利用转台使挠性陀螺朝向一定的方向，将当地的地球转动角速度ω_e和标准重力加速度g_O作为标准输入，通过多个方程联合求解的方法计算出挠性陀螺的误差项系数。静态多位置标定方法能够得到0～1g环境下挠性陀螺的常值漂移系数和比力敏感项系数并认为在使用环境下该系数仍保持不变。

然而，挠性陀螺的机械特性决定了当其受到环境的振动、温度变化等因素影响时，其漂移误差系数会产生随机变化，该随机变化可能导致挠性陀螺和挠性捷联惯组的使用精度与预期精度不一致。目前的挠性陀螺误差测试方法都采用实验室多位置标定方法，不能得到挠性陀螺的动态随机漂移，还缺乏测试挠性陀螺动态随机漂移误差的方法，在挠性陀螺的指标评价体系中也没有相应的技术指标。

现有技术中，授权公告号CN 101377422 B的发明专利公开了一种挠性陀螺仪静态漂移误差模型最优二十四位置标定方法，是将挠性陀螺仪安装在三轴位置速率转台上，采用离散D-最优设计构造方法进行设计，从整个试验空间中选取二十四个空间位置取向作为陀螺坐标系取向并进行试验。相对于最优八位置法，最优二十四位置试验测试除了能够标定加速度无关项、加速度一次方有关项外，还可以得到加速度二次有关项漂移系数。缺点是只能利用重力场作为环境过载激励，得到的结果是挠性陀螺静态环境下的误差漂移特性，不能得到环境因素的动态变化对挠性陀螺的影响。

参考文献【1】：TDS-1捷联挠性陀螺动态参数测试，航空精密制造技术，1990年第2期，冀宏，杨梅仓，王宗衍，该文献介绍了用精密角振动台测试挠性陀螺的闭环幅相频特性和带宽的方法和结果，其动态参数结果可供挠性陀螺内部闭环回路的设计作为参考。缺点是该测试方法只能得到角振动环境下挠性陀螺的动态特性，不能得到载体随机振动、温度随机变化环境下挠性陀螺的误差漂移特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用激光多普勒测速仪对挠性捷联惯组中挠性陀螺在车载环境下随机漂移误差进行测试的方法，为分析和评价挠性陀螺及挠性捷联惯组的动态精度提供依据。

本发明提供的测试方法中，采用“直线匀速+加减速+转向机动”的试验路径，激发挠性陀螺的动态漂移误差；以激光多普勒测速仪测试的速度为观测量，利用卡尔曼滤波器进行惯性/多普勒组合导航估算，从而得到挠性陀螺动态随机漂移误差，具体测试方法的步骤如下：

第一步：将被测试挠性捷联惯组通过工装紧固安装在试验车上，连接挠性捷联惯组、激光多普勒测速仪、电源、采集计算机之间的线缆并检查正确；

第二步：挠性捷联惯组上电预热，直至稳定；

第三步：打开采集计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集挠性捷联惯组数据、激光多普勒测速仪数据；

第四步：试验车保持静止，利用卡尔曼滤波器进行基于航向180度的两位置静基座初始对准，总时间5min；

静基座初始对准采用惯性/零速组合导航，导航坐标系取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程为：

δθ——角位置误差矢量，包括x和y两个方向的分量δθ_x和δθ_y；

δh——高度误差；

δv——速度误差矢量，包括x、y和z三个方向的分量δv_x、δv_y和δv_z；

ψ——姿态角误差，包括x、y和z三个方向的误差ψ_x、ψ_y和ψ_z；

v——载体运动速度矢量，包括x、y和z三个方向的分量v_x、v_y和v_z；

ρ——载体运动角速率矢量；

Ω——地球自转角速率矢量；

ω——ρ+Ω；

g——地球重力加速度；

R——地球半径；

f——载体感受的比力矢量，包括x、y和z三个方向的分量f_x、f_y和f_z；

δf——加速度计输出误差，包括x、y和z三个方向的输出误差δf_x、δf_y和δf_z；

ε——挠性陀螺随机漂移误差，包括x、y和z三个方向的输出误差ε_x、ε_y和ε_z；

C_ij——捷联矩阵元素，i＝(1，2，3)，j＝(1，2，3)；

τ_a，τ_g——分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数。

惯性/零速组合的量测方程为

Z₁(t)＝[O_3×3|I_3×3|O_3×9]X(t)+η₁(t)            (2)

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵，Z₁(t)零速修正观测矢量，η₁(t)为零速量测噪声矢量，t是时间。

第五步：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/多普勒组合导航估算；

惯性/多普勒组合导航坐标系仍然取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程同方程(1)。

在惯性/多普勒组合导航时，用激光多普勒测速仪测量的速度作为外部信息源，建立量测方程

Z₂(t)＝[O_3×3|I_3×3|A_3×3|O_3×6]X(t)+η₂(t)         (3)

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵， $A_{3\×3}=\left[\begin{array}{ccc}0& C_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{21}{v}_{\mathrm{bx}}\\ -C_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& 0& C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}\\ C_{21}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}& 0\end{array}\right],$ Z₂(t)为激光多普勒速度修正的观测矢量，η₂(t)为激光多普勒的量测噪声矢量，t是时间。v_bx是激光多普勒测量得到的车速。

依据上述卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程(1)、量测方程(2)～(3)，用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和激光多普勒速度测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中三个轴向挠性陀螺随机漂移误差的估算值ε_x、ε_y和ε_z。

第六步：试验车停止、熄火，停止数据采集和估算，保存估算结果，挠性捷联惯组断电，系统断电。

本发明的优点在于：

本发明所提出的方法以激光多普勒测速仪精确的速度测量为观测信息，通过卡尔曼滤波器估算挠性陀螺在车载动态环境下随机漂移误差大小，弥补当前仅采用实验室多位置法标定测试评价的不足，为挠性陀螺及挠性惯组动态精度分析提供辅助分析手段和评价依据。

附图说明

图1为本发明的测试方法的流程图；

图2a、2b为实施例中常值漂移情形下水平方向陀螺随机漂移误差估计曲线；

图3a、3b为实施例中斜坡漂移情形下水平方向陀螺随机漂移误差估计曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种应用激光多普勒测速仪测试挠性捷联惯组中挠性陀螺动态随机漂移的方法，具体包括如下步骤：

第一步：将被测试挠性捷联惯组通过工装紧固安装在试验车上，连接挠性捷联惯组、激光多普勒测速仪、电源、采集计算机之间的线缆并检查正确；

第二步：挠性捷联惯组上电预热，直至稳定；

第三步：打开采集计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集挠性捷联惯组数据、激光多普勒数据；所述的地理位置信息包括：试验地点的经度、纬度、高度。

第四步：试验车保持静止，利用卡尔曼滤波器进行基于航向180度的两位置静基座初始对准，总时间5min；

静基座初始对准采用惯性/零速组合导航，导航坐标系取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程为：

δθ——角位置误差矢量，包括x和y两个方向的分量δθ_x和δθ_y；

δh——高度误差；

δv——速度误差矢量，包括x、y和z三个方向的分量δv_x、δv_y和δv_z；

ψ——姿态角误差，包括x、y和z三个方向的误差ψ_x、ψ_y和ψ_z；

v——载体运动速度矢量，包括x、y和z三个方向的分量v_x、v_y和v_z；

ρ——载体运动角速率矢量；

Ω——地球自转角速率矢量；

ω——ρ+Ω；

g——地球重力加速度；

R——地球半径；

f——载体感受的比力矢量，包括x、y和z三个方向的分量f_x、f_y和f_z；

δf——加速度计输出误差，包括x、y和z三个方向的输出误差δf_x、δf_y和δf_z；

ε——陀螺输出误差，包括x、y和z三个方向的输出误差ε_x、ε_y和ε_z；

C_ij——捷联矩阵元素，i＝(1，2，3)，j＝(1，2，3)；

τ_a，τ_g——分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数。

惯性/零速组合的量测方程为

Z₁(t)＝[O_3×3|I_3×3|O_3×9]X(t)+η₁(t)                (5)

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵，Z₁(t)零速修正观测矢量，η₁(t)为零速量测噪声矢量，t是时间。

第五步：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/多普勒组合导航估算；

惯性/多普勒组合导航坐标系仍然取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程同方程(1)。

在惯性/多普勒组合导航时，用激光多普勒测量的速度作为外部信息源，建立量测方程

Z₂(t)＝[O_3×3|I_3×3|A_3×3|O_3×6]X(t)+η₂(t)         (6)

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵， $A_{3\×3}=\left[\begin{array}{ccc}0& C_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{21}{v}_{\mathrm{bx}}\\ -C_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& 0& C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}\\ C_{21}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}& 0\end{array}\right],$ Z₂(t)为激光多普勒速度修正的观测矢量，η₂(t)为激光多普勒的量测噪声矢量，t是时间。v_bx是激光多普勒测速仪测量得到的车速。

依据上述卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程(4)、量测方程(5)～(6)，用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和激光多普勒速度测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中三个轴向挠性陀螺随机漂移误差的估算值ε_x、ε_y和ε_z。

第六步：最后试验车停止、熄火，停止数据采集和计算，保存计算结果，挠性捷联惯组断电，系统断电。

实施例：

仿真初始条件：

仿真总时间：1550s；

两位置初始对准时间：300s；

初始航向角：45度；

初始偏航角：0度；

初始滚转角：0度；

仿真轨迹如表1：

表1仿真轨迹

序号	机动动作	持续时间	备注
				1	水平两位置对准	300s
2	加速	20s	加速度0.6m/s^2
				3	匀速运动	180s
4	右转弯	5s	转速3deg/s
				5	匀速运动	60s
6	减速	10s	加速度-0.3m/s^2
				7	匀速运动	180s
8	左转弯	5s	转速3deg/s
				9	匀速运动	60s
10	加速	20s	加速度0.6m/s^2
				11	匀速运动	180s
12	右转弯	5s	转速3deg/s
				13	匀速运动	60s
14	减速	20s	加速度-0.3m/s^2
				15	匀速运动	180s
16	左转弯	5s	转速3deg/s
				17	匀速运动	60s
18	加速	20s	加速度0.6m/s^2
				19	匀速运动	180s

情形一：陀螺漂移为随机常值(测试陀螺漂移估计的稳态性能)

误差源设置：

表2系统误差分配预估

仿真结果：

水平方向挠性陀螺零偏误差估计曲线如图2a、2b所示。

情形二：陀螺漂移为随机斜坡函数(测试陀螺漂移估计的跟随性能)

误差源设置：在表2基础上，增加如表3所列三轴陀螺随机斜坡漂移项

表3三轴陀螺随机斜坡漂移项

仿真结果：

水平方向挠性陀螺零偏误差估计曲线如图3a、3b所示。仿真结论：

图2a、2b结果表明，在随机常值漂移情形下，卡尔曼滤波器对挠性陀螺固定偏值估计的精度能有效保持，受车载动态及其他误差干扰可以忽略。

图3a、3b结果表明，在随机斜坡漂移情形下，卡尔曼滤波器能有效跟随挠性陀螺随机斜坡漂移，试验车跑车路径提供的动态可以较好地激励该项动态随机漂移误差的可观性。

综上，仿真结果表明在所设计的动态跑车路径下，通过激光多普勒观测可以有效估计水平方向挠性陀螺动态随机漂移误差。

Claims (1)

1.应用激光多普勒测速仪测试捷联挠性陀螺动态随机漂移的方法，其特征在于：

第一步：将被测试挠性捷联惯组通过工装紧固安装在试验车上，连接挠性捷联惯组、激光多普勒测速仪、电源、采集计算机之间的线缆并检查正确；

第二步：挠性捷联惯组上电预热，直至稳定；

第三步：打开采集计算机上的数据采集与导航计算软件，输入初始地理位置信息，然后开始同步采集挠性捷联惯组数据、激光多普勒数据；

第四步：试验车保持静止，利用卡尔曼滤波器进行基于航向180度的两位置静基座初始对准；

静基座初始对准采用惯性/零速组合导航，导航坐标系取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程为：

δθ——角位置误差矢量，包括x和y两个方向的分量δθ_x和δθ_y；

δh——高度误差；

δv——速度误差矢量，包括x、y和z三个方向的分量δv_x、δv_y和δv_z；

ψ——姿态角误差，包括x、y和z三个方向的误差ψ_x、ψ_y和ψ_z；

v——载体运动速度矢量，包括x、y和z三个方向的分量v_x、v_y和v_z；

ρ——载体运动角速率矢量；

Ω——地球自转角速率矢量；

ω——ρ+Ω；

g——地球重力加速度；

R——地球半径；

f——载体感受的比力矢量，包括x、y和z三个方向的分量f_x、f_y和f_z；

δf——加速度计输出误差，包括x、y和z三个方向的输出误差δf_x、δf_y和δf_z；

ε——挠性陀螺随机漂移误差，包括x、y和z三个方向的输出误差ε_x、ε_y和ε_z；

C_ij——捷联矩阵元素，i＝(1,2,3),j＝(1,2,3)；

τ_a，τ_g——分别为加速度计和挠性陀螺随机漂移误差相关时间常数；

惯性/零速组合的量测模型为

Z₁(t)＝[0_3×3|I_3×3|0_3×9]X(t)+η₁(t)  （2）

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵，Z₁(t)零速修正观测矢量，η₁(t)为零速量测噪声矢量，t是时间；

第五步：试验车启动，开始跑车，路径的特点为“直线匀速+加减速+左右转向”，全程进行惯性/多普勒组合导航估算，得到车载试验动态过程中捷联挠性陀螺动态随机漂移误差的估算值ε_x、ε_y和ε_z；

第六步：最后试验车停止、熄火，停止数据采集和估算，保存估算结果，挠性捷联惯组断电，系统断电；

惯性/多普勒组合导航坐标系取为游动自由方位坐标系，所使用的卡尔曼滤波器系统状态方程同方程（1）；在惯性/多普勒组合导航时，用激光多普勒测量的速度作为外部信息源，建立量测方程

Z₂(t)＝[0_3×3|I_3×3|A_3×3|0_3×6]X(t)+η₂(t)  （3）

其中，X(t)＝[δθ_x δθ_y δh δv_x δv_y δv_z ψ_x ψ_y ψ_z δf_x δf_y δf_z ε_x ε_y ε_z]^T是卡尔曼滤波器的状态矢量，I_3×3是3阶单位阵， $A_{3\×3}=\left[\begin{array}{ccc}0& C_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{21}{v}_{\mathrm{bx}}\\ -c_{31}{v}_{\mathrm{bx}}& 0& C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}\\ C_{12}{v}_{\mathrm{bx}}& -C_{11}{v}_{\mathrm{bx}}& 0\end{array}\right],$ Z₂(t)为激光多普勒速度修正的观测矢量，η₂(t)为激光多普勒的量测噪声矢量，t是时间，v_bx是激光多普勒测速仪测量得到的车速；

依据上述卡尔曼滤波器系统状态方程和量测方程（1）、量测方程（2）～（3），用组合导航卡尔曼滤波器对采集到的惯组数据和激光多普勒速度测量数据进行组合导航估算，得到车载试验动态过程中三个轴向挠性陀螺随机漂移误差的估算值ε_x、ε_y和ε_z。

Images