本發(fā)明屬于慣性導航技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種捷聯(lián)慣導系統(tǒng)內(nèi)桿臂的估計與誤差補償方法。

背景技術(shù)：
在捷聯(lián)慣性導航技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)往往將慣性測量組件看成是“點測量組件”，從而只考慮該“點測量組件”與載體上導航參考點之間的桿臂效應(yīng)誤差，即外桿臂誤差。實際上，當捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的質(zhì)心和三個加速度計的質(zhì)心不重合時，則捷聯(lián)慣導系統(tǒng)存在內(nèi)桿臂，如果捷聯(lián)慣導系統(tǒng)存在角運動，將致使加速度計輸出中產(chǎn)生一個與內(nèi)桿臂長度和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)角速度平方乘積成比例的向心干擾加速度，和一個與內(nèi)桿臂長度和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)角加速度乘積成比例的切向干擾加速度，二者等效為內(nèi)桿臂誤差，其會降低捷聯(lián)慣導的導航精度。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中，三個加速度計安裝在三軸正交托架上，這必然帶來捷聯(lián)慣導系統(tǒng)質(zhì)心和三個加速度計質(zhì)心不重合，從而存在內(nèi)桿臂誤差，為提高系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的導航精度，亟需研究內(nèi)桿臂誤差估計和補償方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題為：提出一種捷聯(lián)慣導系統(tǒng)內(nèi)桿臂的估計與誤差補償方法，該方法能夠估計出捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂，進而利用估計出的內(nèi)桿臂進行內(nèi)桿臂誤差補償，提高捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的導航精度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述：一種捷聯(lián)慣導系統(tǒng)內(nèi)桿臂的估計與誤差補償方法，包括以下步驟：步驟一：初始對準；步驟二：估計內(nèi)桿臂參數(shù)；步驟三：補償內(nèi)桿臂誤差。步驟一中，將捷聯(lián)慣導系統(tǒng)安裝在軸與軸相互正交的三軸轉(zhuǎn)臺上，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)體坐標系與轉(zhuǎn)臺三個正交軸方向一致。步驟二中，控制轉(zhuǎn)臺使捷聯(lián)慣導系統(tǒng)同時繞轉(zhuǎn)臺的三個軸周期性旋轉(zhuǎn)，利用以速度誤差為觀測量的Kalman濾波對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂進行估計，相關(guān)公式如下：狀態(tài)量：其中X2＝[r1xr1yr1zr2xr2yr2zr3xr3yr3z]T，誤差狀態(tài)方程為：其中A1為與X1對應(yīng)的系統(tǒng)矩陣；觀測量為：Z＝[δVnδVuδVe]T，上述公式中：δVn、δVu、δVe為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的速度誤差；φn、φu、φe為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的失準角；εx、εy、εz為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的陀螺零偏；為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的加速度計零偏；r1x為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r1y為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r1z為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；r2x為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r2y為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r2z為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；r3x為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r3y為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r3z為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)姿態(tài)矩陣；為陀螺測得的載體角速率；ωx為X軸陀螺儀測量的角速度；ωy為Y軸陀螺儀測量的角速度；ωz為Z軸陀螺儀測量的角速度；為角速度ωx的微分，表示X軸角加速度；為角速度ωy的微分，表示Y軸角加速度；為角速度ωz的微分，表示Z軸角加速度。步驟三中，利用下式進行內(nèi)桿臂誤差補償：其中，為補償前的加速度計測量的載體加速度；為補償后的加速度計測量的載體加速度；為內(nèi)桿臂誤差。作為優(yōu)選方案，步驟二所述周期性旋轉(zhuǎn)中，每個軸旋轉(zhuǎn)幅度控制在60°～180°范圍內(nèi)，如90°；轉(zhuǎn)速控制在5°/s～50°/s范圍內(nèi)，如10°/s；總旋轉(zhuǎn)時間控制在5min～10min之間，如8min。本發(fā)明的有益效果為；本發(fā)明的方法通過估計捷聯(lián)慣導系統(tǒng)內(nèi)桿臂，計算內(nèi)桿臂誤差，進而對內(nèi)桿臂誤差進行補償，提高了捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的導航精度。具體實施方式通過分析內(nèi)桿臂誤差產(chǎn)生的機理，提出了一種基于Kalman濾波的內(nèi)桿臂的估計與誤差補償方法，該方法可以在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)同時繞其三個敏感軸旋轉(zhuǎn)后，利用Kalman濾波全估計出捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂，進而利用估計出的內(nèi)桿臂進行內(nèi)桿臂誤差補償，提高捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的導航精度。本發(fā)明的方法包括如下步驟：步驟一：將捷聯(lián)慣導系統(tǒng)安裝在軸與軸相互正交的三軸轉(zhuǎn)臺上，，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)體坐標系與轉(zhuǎn)臺三個正交軸方向一致，完成初始對準。所述初始對準為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。步驟二：初始對準完成后，控制轉(zhuǎn)臺使捷聯(lián)慣導系統(tǒng)同時繞轉(zhuǎn)臺的三個軸周期性旋轉(zhuǎn)，每個軸旋轉(zhuǎn)幅度控制在60°～180°范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速控制在5°/s～50°/s范圍內(nèi)，總旋轉(zhuǎn)時間控制在5min～10min之間，利用以速度誤差為觀測量的Kalman濾波對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂進行估計，相關(guān)公式如下：狀態(tài)量：其中X2＝[r1xr1yr1zr2xr2yr2zr3xr3yr3z]T誤差狀態(tài)方程為：其中A1為與X1對應(yīng)的系統(tǒng)矩陣；觀測量為：Z＝[δVnδVuδVe]T。上述公式中：δVn、δVu、δVe為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的速度誤差；φn、φu、φe為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的失準角；εx、εy、εz為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的陀螺零偏；為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的加速度計零偏；r1x為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r1y為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r1z為X軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；r2x為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r2y為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r2z為Y軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；r3x為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系X軸的內(nèi)桿臂分量；r3y為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Y軸的內(nèi)桿臂分量；r3z為Z軸加速度計質(zhì)心在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的體坐標系Z軸的內(nèi)桿臂分量；為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)姿態(tài)矩陣；為陀螺測得的載體角速率；ωx為X軸陀螺儀測量的角速度；ωy為Y軸陀螺儀測量的角速度；ωz為Z軸陀螺儀測量的角速度；為角速度ωx的微分，表示X軸角加速度；為角速度ωy的微分，表示Y軸角加速度；為角速度ωz的微分，表示Z軸角加速度。步驟三：內(nèi)桿臂誤差補償在估計出內(nèi)桿臂后需要對加速度計輸出進行補償，補償方法如下：其中，為補償前的加速度計測量的載體加速度；為補償后的加速度計測量的載體加速度；為內(nèi)桿臂誤差。利用某型激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在實驗室進行內(nèi)桿臂的估計和誤差補償，具體實施步驟如下：第一步：首先將激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)安裝在軸與軸相互正交的三軸轉(zhuǎn)臺上，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)體坐標系與轉(zhuǎn)臺三個正交軸方向一致，完成初始對準。第二步：初始對準完成后，使轉(zhuǎn)臺同時繞內(nèi)、中和外環(huán)周期性旋轉(zhuǎn)，各軸轉(zhuǎn)動幅度為90°，轉(zhuǎn)速為10°/s，總旋轉(zhuǎn)時間為8min，利用以速度誤差為觀測量的Kalman濾波對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂進行估計，估計出該捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂值為r1x＝-0.064m，r1y＝-0.016m，r1z＝0.094m；r2x＝-0.061m，r2y＝-0.094m，r2z＝0.094m；r3x＝-0.060m，r3y＝-0.054m，r3z＝0.097m。第三步：在估計出內(nèi)桿臂后，計算內(nèi)桿臂誤差δfr，進而實現(xiàn)對加速度計內(nèi)桿臂誤差補償。為了驗證估計和補償?shù)膬?nèi)桿臂誤差的有效性，利用上述捷聯(lián)慣導系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行了離線仿真驗證試驗。用上述估計出的內(nèi)桿臂進行誤差補償后，轉(zhuǎn)動前后慣導系統(tǒng)水平速度誤差變化小于0.2m/s，而不補償內(nèi)桿臂誤差時，轉(zhuǎn)動前后慣導系統(tǒng)水平速度誤差變化超過0.5m/s，且轉(zhuǎn)動過程中水平速度誤差有明顯增長。該對比結(jié)果說明了該方法估計和補償?shù)挠行浴?