CN109931928A - 一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，通过选取参数，包括阻尼系数和角频率参数，设计外水平阻尼网络，设计双轴旋转调制的旋转方案，对比不同转停方案的仿真结果确定最佳方案，将惯性器件测量得到的信息输入双轴旋转调制系统部分，得到去除常值误差和缓变误差的导航信息，将步骤3获得的导航信息和多普勒计程仪获得的外速度信息输入外水平阻尼网络部分，解算导航结果。本发明采用双轴旋转调制以及外水平阻尼技术既能达到阻尼的效果又能对因破坏舒勒调整条件产生的误差进行补偿，对加速度、速度使系统产生的误差进行补偿，可有效抑制84.4min的舒勒周期振荡、傅科振荡，光纤陀螺惯导系统的定位、定速和定姿精度提高了3倍以上。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术。
背景技术
以舰船为例，船舶由于在海上航行的需要，因此对于导航系统在长时间工作状态下的导航精度提出了严格要求。但是由于惯性器件的测量误差等原因，导航系统的误差是随着时间积累的，约占系统误差的92％左右，严重影响了导航定位的准确性。采用双轴旋转调制技术后各个轴向的惯性器件常值误差均可得到有效抑制，此时惯性器件随机误差就成为影响导航精度的主要因素。在无阻尼状态下，随机误差产生的导航误差是振荡的并且随着时间积累，因此必须对随机误差进行阻尼。本发明目的在于解决惯性器件随机误差对船用光纤陀螺惯性导航系统导航精度的影响。
传统的水平阻尼破坏了舒勒调整条件，必将影响系统的性能，为抑制惯性器件随机误差对导航系统造成的不利影响，对于一定时间内有外部信息进行综合校正的船舶来说，采用外水平阻尼网络既能达到阻尼的效果又能对因破坏舒勒调整条件产生的误差进行补偿，可有效抑制84.4min的舒勒周期振荡，同时，调制舒勒周期振荡的傅科振荡也可得到有效抑制。综上，针对惯性器件的常值误差和随机误差对导航精度的影响，分别采用双轴旋转调制技术和外水平阻尼技术对其进行抑制。双轴旋转调制系统可以将各个轴向惯性器件的常值误差在一个周期内调制成零均值的形式；传统的水平阻尼网络在抑制舒勒振荡的同时会破坏舒勒调整条件，破坏了加速度对系统的无干扰状态，因此采用外水平阻尼技术，使既能阻尼又能对加速度、速度使系统产生的误差进行补偿。经过双轴旋转调制以及外水平阻尼技术对惯性器件的误差进行抑制，光纤陀螺惯导系统的定位、定速和定姿精度提高了3倍以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术。
本发明的目的是这样实现的：
一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，具体的实现步骤如下：
步骤1.选取参数，包括阻尼系数和角频率参数，设计外水平阻尼网络；
步骤2.设计双轴旋转调制的旋转方案，对比不同转停方案的仿真结果确定最佳方案；
步骤3.将惯性器件测量得到的信息输入双轴旋转调制系统部分，得到去除常值误差和缓变误差的导航信息；
步骤4.将步骤3获得的导航信息和多普勒计程仪获得的外速度信息输入外水平阻尼网络部分，解算导航结果。
步骤1所述的外水平阻尼技术，利用多普勒计程仪提供的外速度与计算速度之间的误差作为阻尼项，对导航系统进行阻尼。
步骤1所述的外水平阻尼技术，部参考速度通过阻尼网络引入双轴旋转调制光纤陀螺惯导系统水平回路，对惯导系统84.4min舒勒振荡进行抑制，外水平阻尼算法中水平阻尼网络选为：
步骤3所述的双轴旋转调制系统采用十六位置双轴旋转调制技术将常值误差在一个周期内调制成零均值的形式。
步骤3所述的双轴旋转调制系统，将转动系下惯性器件测得的比力信息经过旋转调制并去除常值误差，通过姿态转换矩阵将比力信息转换到载体系下，进行误差补偿，得到双轴旋转调制系统的控制方程，选取旋转时间为12s、停顿时间为60s作为本发明中旋转调制部分的转停方案，得到的具体控制方程为，
速度控制方程：
平台控制方程：
经纬度控制方程：
本发明的有益效果在于：采用外水平阻尼网络既能达到阻尼的效果又能对因破坏舒勒调整条件产生的误差进行补偿，对加速度、速度使系统产生的误差进行补偿，可有效抑制84.4min的舒勒周期振荡，调制舒勒周期振荡的傅科振荡也可得到有效抑制。经过双轴旋转调制以及外水平阻尼技术对惯性器件的误差进行抑制，光纤陀螺惯导系统的定位、定速和定姿精度提高了3倍以上。
附图说明
图1为整体设计方案流程图。
图2为单通道北向外水平阻尼系统方块图。
图3为不同转停方案仿真结果对比图。
图4为具有外水平阻尼的双轴旋转调制惯导系统原理图。
图5为外水平阻尼惯导系统控制方块图。
图6为仿真参数设定。
图7为仿真条件下水平速度误差。
图8为仿真条件下姿态误差。
图9为仿真条件下位置误差。
图10为半物理仿真条件下水平速度误差。
图11为半物理仿真条件下姿态误差。
图12为半物理仿真条件下位置误差。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，具体的实现步骤如下：
步骤1.选取参数，包括阻尼系数和角频率参数，设计外水平阻尼网络；
步骤2.设计双轴旋转调制的旋转方案，对比不同转停方案的仿真结果确定最佳方案；
步骤3.将惯性器件测量得到的信息输入双轴旋转调制系统部分，得到去除常值误差和缓变误差的导航信息；
步骤4.将步骤3获得的导航信息和多普勒计程仪获得的外速度信息输入外水平阻尼网络部分，解算导航结果。
步骤1所述的外水平阻尼技术，利用多普勒计程仪提供的外速度与计算速度之间的误差作为阻尼项，对导航系统进行阻尼。
步骤1所述的外水平阻尼技术，部参考速度通过阻尼网络引入双轴旋转调制光纤陀螺惯导系统水平回路，对惯导系统84.4min舒勒振荡进行抑制，外水平阻尼算法中水平阻尼网络选为：
附图2为单通道北向水平修正回路，以此为例说明阻尼对随机误差的抑制原理。
由图可知平台北向失准角为：
δVry为平台北向外速度误差，为舒勒角频率。
为了不破坏舒勒调整条件，保持系统的稳定性，在设计阻尼网络时应尽量使H(s)＝1，当t→∞时，α(t)→0。阻尼系数从抑制随机误差的角度越大越好，但是阻尼系数的增大会导致舰船机动时产生的误差增大，且抑制随机误差的效果也并不明显，确定为0.5较合适。
一般情况下H(s)的形式如下：
在外水平阻尼状态下：
将上式及ω(s)带入式得：
解算出系统的4个极点:s1＝-0.011,s2＝-0.0008,s3,4＝-0.00090±0.0036i因为极点值均有负实部，所以系统是稳定的。
步骤3所述的双轴旋转调制系统采用十六位置双轴旋转调制技术将常值误差在一个周期内调制成零均值的形式。
步骤3所述的双轴旋转调制系统，将转动系下惯性器件测得的比力信息，加入旋转调制后，惯性器件测得的是转动系相对于惯性系的比力和角速度，所以控制方程中的需要经过姿态转换矩阵将其转换为导航坐标系下的比力，即其中，为由载体系到导航系的姿态转换矩阵，初值由对准后的姿态决定，采用四元数对其进行更新；为由转动系到载体系的姿态转换矩阵，由旋转方案确定。经过旋转调制并去除常值误差，通过姿态转换矩阵将比力信息转换到载体系下，进行误差补偿，得到双轴旋转调制系统的控制方程，选取旋转时间为12s、停顿时间为60s作为本发明中旋转调制部分的转停方案，如图5所示，得到的具体控制方程为，
速度控制方程：
平台控制方程：
经纬度控制方程：
其中，为比力在导航坐标系下的投影；ABx、ABy、ABz为不考虑天向速度的误差补偿项；Vrx、Vry为外部参考速度；Vcx、Vcy为东向和北向速度的计算值，Vx0、Vy0为初始值；Hx(S)、Hy(S)为水平阻尼网络；RM、RN为子午圈和卯酉圈地球半径；Ω为地球自转角速率；λc为纬度和经度的计算值，λ0为初始值；ωcx、ωcy、ωcz为计算的角速度控制量。
依据以上计算方程式，编制出适合计算机解算的导航控制方程组，即可完成具有阻尼的旋转式光纤陀螺惯导系统导航参数的解算，得到精确的导航控制结果。
图4为具有外水平阻尼的双轴旋转调制惯导系统的原理图，给出了与传统惯导系统的主要区别：
1、增加了一个转位机构以实现旋转调制抑制常值误差；
2、解算算法中加入了阻尼部分以抑制随机误差。
为验证本文提出的基于外水平阻尼的双轴旋转惯导系统随机误差抑制技术对随机误差的抑制效果，在相同的仿真条件下同时对双周旋转调制惯性导航系统解算及针对其设计的外水平阻尼算法进行仿真测试并进行对比。仿真条件设置如下：陀螺仪和和加速度计输出由轨迹发生器产生，仿真时长24h；陀螺常值漂移和加速度计常值零偏分别设置为：0.01°/h和10-4g，陀螺随机漂移和加速度计随机零偏设置为白噪声；旋转调制系统采用十六位置转停方案，旋转时间为12s停顿时间为60s，转位机构每秒旋转15°；船舶航行初始位置信息设置为：纬度45.7796°N，经度126.6705°E；初始姿态误差角设置为：纵摇角误差6”，格网横摇角误差6”，格网航向角误差6'。
附图6中，pitch、roll和yaw分别表示船舶摇摆的纵摇角、横摇角和航向角；姿态角摇摆幅度pitchm、rollm和yawm分别设置为3°、5°和0°；姿态角摇摆周期Tp、Tr和Ty分别设置为3s、4s和5s；姿态角摇摆初始相位和分别设置为随机值。
附图7、8、9表明，经过双轴旋转调制后惯性器件的常值误差得到了抑制，惯导系统的导航精度提升了1个数量级左右，但是由于随机误差的存在，还有很明显的舒勒周期振荡误差以及傅科周期振荡误差，所提出的基于外水平阻尼的算法可以达到有效抑制系统舒勒振荡的目的，亦即双轴旋转调制惯性导航系统由于惯性器件随机误差造成的导航误差得到了有效抑制；与单纯的双轴旋转调制惯导系统相比，经过阻尼后速度误差精度提升了3倍以上，姿态误差精度提升了4倍以上，位置误差精度提升了3倍以上。
通过半物理仿真的形式获取导航误差对所设计的算法在实际应用中的性能进行仿真分析。在三轴转台的辅助下，根据转台提供的姿态参考及位置信息，通过数值解法可以得到惯性器件输出的理论真值，由三轴转台提供的测量值减去其理论真值即为惯性器件测量误差。除惯性器件的测量误差外其他实验条件均与仿真条件保持一致。
附图10、11、12表明，半物理仿真实验结果与仿真结果一致，验证了算法在实际应用中的可行性，可以充分的满足船舶的导航精度要求。
实施例2
本发明涉及的是一种基于外水平阻尼的双轴旋转惯导系统随机误差抑制技术，以船用双轴旋转调制光纤陀螺惯导航系统误差模型为基础，提出了基于外水平阻尼的随机误差抑制技术。本算法不仅能抑制三个轴向惯性器件常值误差产生的导航误差，更能抑制随机误差对导航系统的影响，使导航系统的精度提高了3倍以上。
以舰船为例，船舶由于在海上航行的需要，因此对于导航系统在长时间工作状态下的导航精度提出了严格要求。但是由于惯性器件的测量误差等原因，导航系统的误差是随着时间积累的，约占系统误差的92％左右，严重影响了导航定位的准确性。采用双轴旋转调制技术后各个轴向的惯性器件常值误差均可得到有效抑制，此时惯性器件随机误差就成为影响导航精度的主要因素。在无阻尼状态下，随机误差产生的导航误差是振荡的并且随着时间积累，因此必须对随机误差进行阻尼。本发明目的在于解决惯性器件随机误差对船用光纤陀螺惯性导航系统导航精度的影响。
传统的水平阻尼破坏了舒勒调整条件，必将影响系统的性能，为抑制惯性器件随机误差对导航系统造成的不利影响，对于一定时间内有外部信息进行综合校正的船舶来说，采用外水平阻尼网络既能达到阻尼的效果又能对因破坏舒勒调整条件产生的误差进行补偿，可有效抑制84.4min的舒勒周期振荡，同时，调制舒勒周期振荡的傅科振荡也可得到有效抑制。综上，针对惯性器件的常值误差和随机误差对导航精度的影响，分别采用双轴旋转调制技术和外水平阻尼技术对其进行抑制。双轴旋转调制系统可以将各个轴向惯性器件的常值误差在一个周期内调制成零均值的形式；传统的水平阻尼网络在抑制舒勒振荡的同时会破坏舒勒调整条件，破坏了加速度对系统的无干扰状态，因此采用外水平阻尼技术，使既能阻尼又能对加速度、速度使系统产生的误差进行补偿。经过双轴旋转调制以及外水平阻尼技术对惯性器件的误差进行抑制，光纤陀螺惯导系统的定位、定速和定姿精度提高了3倍以上。
本发明提出的是一种光纤陀螺惯性导航系统误差抑制技术，为了进一步提高的精度，在双轴旋转调制的基础上，引入了外水平阻尼网络。具体的步骤如下：
步骤1.选取参数，包括阻尼系数和角频率参数，设计外水平阻尼网络。
步骤2.设计双轴旋转调制的旋转方案，对比不同转停方案的仿真结果确定最佳方案。
步骤3.将惯性器件测量得到的信息输入双轴旋转调制系统部分，得到去除常值误差和缓变误差的导航信息。
步骤4.将步骤三获得的导航信息和多普勒计程仪获得的外速度信息输入外水平阻尼网络部份解算导航结果。
(1)步骤一的具体内容如下：
附图2为单通道北向水平修正回路，以此为例说明阻尼对随机误差的抑制原理。
由上图可知平台北向失准角为：
δVry为平台北向外速度误差，为舒勒角频率。
为了不破坏舒勒调整条件，保持系统的稳定性，在设计阻尼网络时应尽量使H(s)＝1，当t→∞时，α(t)→0。阻尼系数从抑制随机误差的角度越大越好，但是阻尼系数的增大会导致舰船机动时产生的误差增大，且抑制随机误差的效果也并不明显，确定为0.5较合适。
一般情况下H(s)的形式如下：
在外水平阻尼状态下：
将上式及ω(s)带入式得：
解算出系统的4个极点:s1＝-0.011,s2＝-0.0008,s3,4＝-0.00090±0.0036i因为极点值均有负实部，所以系统是稳定的。
(2)步骤二和步骤三的具体内容如下：
旋转调制系统采用十六位置转停方案，对不同的转停方案进行分析，对比仿真结果最终选取旋转时间为12s停顿时间为60s，附图3为不同转停方案仿真结果对比图。加入旋转调制后，惯性器件测得的是转动系相对于惯性系的比力和角速度，所以控制方程中的需要经过姿态转换矩阵将其转换为导航坐标系下的比力，即其中，为由载体系到导航系的姿态转换矩阵，初值由对准后的姿态决定，采用四元数对其进行更新；为由转动系到载体系的姿态转换矩阵，由旋转方案确定。
附图4为具有外水平阻尼的双轴旋转调制惯导系统的原理图。图中给出了与传统惯导系统的主要区别：
1、增加了一个转位机构以实现旋转调制抑制常值误差；
2、解算算法中加入了阻尼部分以抑制随机误差；
附图5为外水平阻尼惯导系统控制方块图，为比力在导航坐标系下的投影；ABx、ABy、ABz为不考虑天向速度的误差补偿项；Vrx、Vry为外部参考速度；Vcx、Vcy为为东向和北向速度的计算值，Vx0、Vy0为初始值；Hx(s)、Hy(s)为水平阻尼网络；RM、RN为子午圈和卯酉圈地球半径；Ω为地球自转角速率；λc为纬度和经度的计算值，λ0为初始值；ωcx、ωcy、ωcz为计算的角速度控制量；
系统的控制方程如下：
速度控制方程：
平台控制方程：
经纬度控制方程：
依据以上计算方程式，编制出适合计算机解算的导航控制方程组，即可完成具有阻尼的旋转式光纤陀螺惯导系统导航参数的解算，得到精确的导航控制结果。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。具体进行了以下两方面的工作。
1、为了验证算法在理论上的正确性，进行了仿真实验，通过分析结果验证了算法在理论上的正确性。
2、为了验证算法在实际应用中的可靠性，进行了半物理仿真实验，通过分析结果验证了算法的实际应用价值。
以下描述本发明的实施例：
为验证本文提出的基于外水平阻尼的双轴旋转惯导系统随机误差抑制技术对随机误差的抑制效果，在相同的仿真条件下同时对双周旋转调制惯性导航系统解算及针对其设计的外水平阻尼算法进行仿真测试并进行对比。仿真条件设置如下：陀螺仪和和加速度计输出由轨迹发生器产生，仿真时长24h；陀螺常值漂移和加速度计常值零偏分别设置为：0.01°/h和10-4g，陀螺随机漂移和加速度计随机零偏设置为白噪声；旋转调制系统采用十六位置转停方案，旋转时间为12s停顿时间为60s，转位机构每秒旋转15°；船舶航行初始位置信息设置为：纬度45.7796°N，经度126.6705°E；初始姿态误差角设置为：纵摇角误差6”，格网横摇角误差6”，格网航向角误差6'。
附图6中，pitch、roll和yaw分别表示船舶摇摆的纵摇角、横摇角和航向角；姿态角摇摆幅度pitchm、rollm和yawm分别设置为3°、5°和0°；姿态角摇摆周期Tp、Tr和Ty分别设置为3s、4s和5s；姿态角摇摆初始相位和分别设置为随机值。
附图7、8、9表明，经过双轴旋转调制后惯性器件的常值误差得到了抑制，惯导系统的导航精度提升了1个数量级左右，但是由于随机误差的存在，还有很明显的舒勒周期振荡误差以及傅科周期振荡误差，所提出的基于外水平阻尼的算法可以达到有效抑制系统舒勒振荡的目的，亦即双轴旋转调制惯性导航系统由于惯性器件随机误差造成的导航误差得到了有效抑制；与单纯的双轴旋转调制惯导系统相比，经过阻尼后速度误差精度提升了3倍以上，姿态误差精度提升了4倍以上，位置误差精度提升了3倍以上。
通过半物理仿真的形式获取导航误差对所设计的算法在实际应用中的性能进行仿真分析。在三轴转台的辅助下，根据转台提供的姿态参考及位置信息，通过数值解法可以得到惯性器件输出的理论真值，由三轴转台提供的测量值减去其理论真值即为惯性器件测量误差。除惯性器件的测量误差外其他实验条件均与仿真条件保持一致。
附图10、11、12表明，半物理仿真实验结果与仿真结果一致，验证了算法在实际应用中的可行性，可以充分的满足船舶的导航精度要求。
Claims (5)
1.一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，其特征在于，具体的实现步骤如下：
步骤1.选取参数，包括阻尼系数和角频率参数，设计外水平阻尼网络；
步骤2.设计双轴旋转调制的旋转方案，对比不同转停方案的仿真结果确定最佳方案；
步骤3.将惯性器件测量得到的信息输入双轴旋转调制系统部分，得到去除常值误差和缓变误差的导航信息；
步骤4.将步骤3获得的导航信息和多普勒计程仪获得的外速度信息输入外水平阻尼网络部分，解算导航结果。
2.根据权利要求1所述的一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，其特征在于：步骤1所述的外水平阻尼技术，利用多普勒计程仪提供的外速度与计算速度之间的误差作为阻尼项，对导航系统进行阻尼。
3.根据权利要求1所述的一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，其特征在于：步骤1所述的外水平阻尼技术，部参考速度通过阻尼网络引入双轴旋转调制光纤陀螺惯导系统水平回路，对惯导系统84.4min舒勒振荡进行抑制，外水平阻尼算法中水平阻尼网络选为：
4.根据权利要求1所述的一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，其特征在于：步骤3所述的双轴旋转调制系统采用十六位置双轴旋转调制技术将常值误差在一个周期内调制成零均值的形式。
5.根据权利要求1所述的一种双轴旋转调制惯导系统随机误差抑制技术，其特征在于：步骤3所述的双轴旋转调制系统，将转动系下惯性器件测得的比力信息经过旋转调制并去除常值误差，通过姿态转换矩阵将比力信息转换到载体系下，进行误差补偿，得到双轴旋转调制系统的控制方程，选取旋转时间为12s、停顿时间为60s作为本发明中旋转调制部分的转停方案，得到的具体控制方程为，
速度控制方程：
平台控制方程：
经纬度控制方程：
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