空間穩(wěn)定慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)精度校準

空間穩(wěn)定慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)精度校準

在空間穩(wěn)定的隨機性指導系統(tǒng)中，螺母偏差、速度計和平臺誤差導致的位置、速度和姿態(tài)誤差。最嚴重的是陀螺漂移,它能引起位置和航向角誤差發(fā)散。因此系統(tǒng)啟動時,需通過初始對準和標定辨識陀螺系數(shù)。其次是加速度計誤差,它不僅與運動距離成正比,而且影響陀螺漂移系數(shù)估計,因此需要精確估計和補償。最后是平臺內(nèi)部安裝誤差,它會影響陀螺的幾何位置,使得殼體和轉(zhuǎn)子位置不一致,從而產(chǎn)生位置誤差,而框架角零偏和平臺相對于基座的安裝誤差則直接影響姿態(tài)精度,進而影響武器系統(tǒng)對準精度。陀螺漂移系數(shù)在系統(tǒng)對準時進行實時估計和補償,而其它誤差需要在系統(tǒng)對準前嚴格標定和補償,如果是時變的,還需要實時估計。這樣,除陀螺漂移外,加速度計和平臺誤差需要嚴格標校。對于加速度計,用多位置法標定元器件參數(shù);對于平臺,框架角零偏和平臺相對于基座的安裝誤差是固定誤差,下文簡稱安裝誤差。系統(tǒng)安裝時可以測量這些誤差,其精度在角分級。當安裝好系統(tǒng)時,以上誤差將反映到導航誤差上,因此可以利用導航誤差進行系統(tǒng)級的參數(shù)標定?？紤]到框架角零偏和安裝誤差與姿態(tài)誤差存在直接對應關(guān)系,研究利用姿態(tài)誤差標定加速度計參數(shù)、框架角零偏和安裝誤差是可行的。另外,在系泊條件下很難獲得姿態(tài)基準,因此無法準確地辨識框架角零偏,而在實驗室條件下可以利用三軸搖擺臺獲得姿態(tài)誤差,從而進行參數(shù)辨識和補償,以提高導航精度,所以有必要在實驗室條件下利用姿態(tài)誤差進行參數(shù)標校。對于空間穩(wěn)定慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)誤差的研究,文獻給出了姿態(tài)誤差公式,考慮了加速度計的誤差和陀螺誤差,并用位置誤差和陀螺漂移形式表示。本文在此基礎(chǔ)上,利用文獻[2,9-11]的理論基礎(chǔ),以姿態(tài)誤差作為觀測量,進行可辨識性討論和分析,設計標定方法和試驗方案,據(jù)此,利用靜態(tài)傾斜試驗進行參數(shù)標定和校準。1氣動誤差的uΦ表示橫搖角、縱搖角和航向角的組合,即:姿態(tài)解算中一般利用載體坐標系到導航坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣Cbn解算姿態(tài),對于空間穩(wěn)定導航系統(tǒng),式中,b表示載體標坐標系;e表示地球坐標系;p表示平臺坐標系,它由外環(huán)軸、中環(huán)軸和臺體軸決定;表示平均平臺坐標系,各矩陣定義見文獻。利用擾動法,由式(2)可得導航坐標系中的姿態(tài)誤差δΦn為:根據(jù)式(3)可得姿態(tài)誤差主要由4個誤差矩陣組成,其對應的傳感器和安裝誤差如下:由加速度計誤差和陀螺誤差引起的姿態(tài)誤差,對應δCen和;由殼體翻滾失準角引起的姿態(tài)誤差,對應,文獻已經(jīng)解決。關(guān)于Cbp的解算見文獻,一方面,外框軸、中框軸和臺體軸的零偏會引起δCbp,另外一方面,平臺與載體之間的安裝誤差,下文簡稱安裝誤差,會引起δCbp。1.1加速度計誤差的影響加速度計的零偏、標度因數(shù)和安裝誤差會引起橫搖角和縱搖角周期為24hr和12hr的姿態(tài)誤差分量,而航向角還受陀螺漂移影響,根據(jù)文獻,姿態(tài)誤差可用諧波表示為:而對于航向角,加速度計誤差和陀螺漂移誤差相互耦合,因此本文只辨識與橫搖角和縱搖角有關(guān)的加速度計的零偏▽x、▽y,安裝誤差角和標度因素。1.2安裝誤差外框與載體水平面不垂直引起的誤差在載體坐標系表示為(δkxbδkybδkzb)T,對應姿態(tài)誤差為:1.3外框、中框和臺體軸零偏引起的誤差考慮到縱橫搖角都為小量,從式(3)得到外框、中框和臺體軸零偏引起的誤差(具體推導見文獻):式中,L為當?shù)鼐暥?δq、δh和δSt為外框角、中框角和臺體軸零偏。1.4姿態(tài)誤差分離出的參數(shù)綜合以上三部分誤差,可得導航坐標系中的姿態(tài)誤差為:從姿態(tài)誤差公式可知,加速度計參數(shù)中4個參數(shù)是可以分離的,還有4個參數(shù)只能合并成2個參數(shù),而框架角零偏和安裝誤差通過改變航向角是可以分離δkxb和δkyb,因此從姿態(tài)誤差中可以分離出11個參數(shù),記為:文獻用了比力誤差、位置誤差和姿態(tài)誤差信息,能辨識14個參數(shù)。本文只利用姿態(tài)誤差,降低了試驗條件,因此能辨識參數(shù)略少于文獻。2識別能力2.1加速度計及參數(shù)設計靜態(tài)且ψ=0的條件下,令則有:考慮到信號周期為24hr和12hr,設計采樣頻率1Hz,樣本長度4天,對應變化范圍為0~8π,可利用最小二乘法得到:獲得后,即可根據(jù)式(5)獲得加速度計的各項參數(shù)。2.2b、規(guī)角零偏+kzb分離扣除加速度計誤差后,根據(jù)式(8),橫搖角和縱搖角為零時,δkxb、δkyb引起的橫搖角和縱搖角誤差隨航向角變化而變化,如式(14)所示:而δkzb與外框角零偏耦合,因此在辨識外框角零偏后分離。同理可以用式(13)的最小二乘法獲得δkxb和δkyb。2.3零偏補償原理補償加速度計參數(shù)和δkxb、δkyb后,根據(jù)式(8),在姿態(tài)為零的條件下,得到姿態(tài)零偏與框架角零偏關(guān)系:可求解得出δSt、δh和δq+δkzb并進行補償。3系統(tǒng)參數(shù)估計誤差量值出現(xiàn)誤差的姿態(tài)為辨識加速度計參數(shù)和框架角零偏,設計了4天靜態(tài)試驗;為辨識δkxb和δkyb,設計了變航向試驗,整個試驗中進行了各種傾斜試驗,以考核各種工作條件下的姿態(tài)精度,如圖1所示。從估計值可知,系統(tǒng)級標定前,加速度計誤差、框架角零偏和安裝誤差引起的姿態(tài)誤差高達幾百角秒。利用獲得的系統(tǒng)參數(shù)估計值,對導航解算方程實行校準。校準后,橫搖角和縱搖角誤差減小了60%,航向角誤差減小了40%。由于參數(shù)真值未知,因此很難鑒定參數(shù)標定精度,但從式(8)可知,參數(shù)標定的誤差將引起姿態(tài)誤差,因此可以用校準后的姿態(tài)誤差鑒定標定精度,據(jù)此,系統(tǒng)參數(shù)估計誤差量值小于15%的姿態(tài)精度指標。利用導航解算方法得到姿態(tài)誤差后,參數(shù)估計值如下:4框架角零偏和安裝誤差的辨識本文給出了空間穩(wěn)定慣性導航系統(tǒng)姿態(tài)誤差的解析表達式,誤差源包括陀螺漂移、加速度計誤差、框架角零偏和安裝誤差;