一種imu/磁強計安裝失準(zhǔn)角在線濾波標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種頂U/磁強計安裝失準(zhǔn)角的在線標(biāo)定方法，可 在使用現(xiàn)場沒有轉(zhuǎn)臺和地理基準(zhǔn)的情況下標(biāo)定出MU與磁強計安裝失準(zhǔn)角參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁強計是測量磁場強度的傳感器，在組合導(dǎo)航中應(yīng)用廣泛，具有隱蔽性能好、即開 即用、誤差不隨時間積累等特點。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS)與磁強計組合系統(tǒng)為飛行器姿 態(tài)測量及控制提供磁航向信息，可以彌補慣性導(dǎo)航長期誤差積累的不足，越來越多地被應(yīng) 用于導(dǎo)航技術(shù)中。由于磁強計受到安裝誤差和外界干擾的影響大，因而引起的航向誤差相 對較大。雖然針對誤差補償技術(shù)的方法研究較多，但都存在著不足。
[0003] 在導(dǎo)航應(yīng)用中，地磁場信息用來測量飛行器航向，在使用磁強計與慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 組合之前，必須先對磁強計相對于慣組的安裝失準(zhǔn)角進行估計。在磁強計標(biāo)定完成之后，結(jié) 合慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航信息，采用三位置方法估計安裝失準(zhǔn)角。結(jié)果證明，該方法效果良好，方便 可靠。
[0004] 對于慣性測量單元αΜυ)與磁強計安裝失準(zhǔn)角的估計，目前在工程上應(yīng)用最為廣 泛的是基于轉(zhuǎn)臺的實驗室標(biāo)定方法，該方法對轉(zhuǎn)臺設(shè)備的依賴性較高，一般只能在實驗室 進行，但是能標(biāo)定出系統(tǒng)較為全面的誤差參數(shù)，是SINS/磁強計組合導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用的 重要前提。
[0005] 參考文南犬[1] (Calibration of a magnetometer in combination with inertial sensors [J])本文也對IMU與磁強計之間的安裝失準(zhǔn)角進行估計，利用加速度計測量的重 力場矢量，與磁強計測得的地磁場矢量，它們的內(nèi)積為一常數(shù)，本文依此應(yīng)用ML法對安裝 失準(zhǔn)角進行了估計。但是該方法計算出來的安裝失準(zhǔn)角嚴(yán)格來說是相對于加速度計軸向 的，而且本方法參數(shù)估計的精度取決于相關(guān)參數(shù)初始值的估計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種磁強計相對于慣組的安裝失準(zhǔn)角在線標(biāo)定的方法，減 小磁強計/MU組合導(dǎo)航誤差，并提高其實際使用精度。本發(fā)明采用三位置路徑設(shè)計，包括 轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動順序和轉(zhuǎn)動角度等；應(yīng)用卡爾曼濾波方法得到捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相對磁強計安裝 失準(zhǔn)角全部誤差參數(shù)；利用六面體或其它相似的可翻轉(zhuǎn)裝置即可完成現(xiàn)場標(biāo)定試驗。具體 方法步驟如下： 第一步：將IMU和磁強計通過工裝固定在六面體裝置上，鎖緊。連接系統(tǒng)、電源、采集計 算機之間的線纜，并檢查正確； 第二步：將六面體裝置置于桌面或平整的地面上，手動調(diào)整六面體裝置，上電預(yù)熱使系 統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)； 第三步：向SINS/磁強計系統(tǒng)裝訂標(biāo)定現(xiàn)場的地理參數(shù)，包括初始的經(jīng)度、煒度和高 度，然后捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進行Imin的靜態(tài)初始對準(zhǔn)，以獲取導(dǎo)航解算的初始姿態(tài)角，并采集 磁強計的數(shù)據(jù)； 第四步：將SINS/磁強計系統(tǒng)沿Z軸轉(zhuǎn)動大約90度，對系統(tǒng)進行20s的靜態(tài)初始對準(zhǔn)， 同時采集磁強計的數(shù)據(jù)； 第五步：再次將SINS/磁強計系統(tǒng)沿Z軸轉(zhuǎn)動大約90度，對系統(tǒng)進行20s的靜態(tài)初始 對準(zhǔn)，同時采集磁強計的數(shù)據(jù)。
[0007] 磁強計\IMU安裝失準(zhǔn)角在線濾波法估計包含以下幾個步驟： 步驟1 :建立慣性器件誤差模型； 慣性器件誤差模型包括光纖陀螺誤差模型和加速度計誤差模型，分別對應(yīng)如下：
式中議If為陀螺儀的誤差輸出矢量;:議:為由陀螺誤差引起的誤 差角速度。
分別表示三軸陀螺測量值ifil|分別表示 三軸陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差；
分別 表示陀螺儀各軸間安裝誤差角；??:、: 分別表示陀螺儀三軸零偏誤差； 式中為加速度計的誤差輸出矢量分別表示由加 速度計誤差引起的誤差加速度；.4；、Λ/、分別表示三軸加速度計測量值； OSirv、ag.、SSiri分別為三軸標(biāo)度因數(shù)誤差；分別為加速度計三軸 零偏；aMt、??Μ、分別表示加速度計各軸間安裝誤差角。
[0008] 步驟2 :地磁場強度歸一化處理 通過查詢當(dāng)?shù)氐卮拍Ｐ涂梢缘玫酱艃A角、磁偏角和地理坐標(biāo)系下各方向磁場強度分 量，而通過磁強計橢球擬合標(biāo)定得到的模型，其補償后的磁場測量值大小與當(dāng)?shù)卮艌稣鎸?強度存在比例關(guān)系，因此，需要先將擬合后的磁場強度和當(dāng)?shù)卮艌瞿Ｐ鸵煌M行歸一化處 理，再進行安裝失準(zhǔn)角的估計。即。
[0009] 步驟3 :建立磁強計\頂1]安裝失準(zhǔn)角模型 基本思路是經(jīng)過標(biāo)定補償后的磁強計的輸出，結(jié)合地磁模型輔助補償慣導(dǎo)姿態(tài)角誤 差，同時得到慣組與磁強計的安裝誤差；
其中b系為慣導(dǎo)載體坐標(biāo)系，Μ;為磁強計坐標(biāo)系，η系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，:經(jīng)系為計算得 到的導(dǎo)航坐標(biāo)系，Φ為姿態(tài)角，μ為安裝失準(zhǔn)角
易知rank (A) =rank (Al b)=2〈3;方程有解析，沒有唯一解；X初值任意取時只能估計出 一個參數(shù)，當(dāng)X初值取值和設(shè)定的參數(shù)值一致時，才能解出全部參數(shù)；通過不同位置提高可 觀測度；兩位置即可全部解出全部參數(shù)，得到正確的參數(shù)。
[0010] 步驟4 :建立卡爾曼濾波器模型 選取地理坐標(biāo)系東北天為導(dǎo)航坐標(biāo)系，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測方程分別如下：
式中i表示系統(tǒng)狀態(tài)的微分，表示狀態(tài)矩陣、丨表示系統(tǒng)狀態(tài)向量、rp)表 示系統(tǒng)噪聲、表示系統(tǒng)量測矢量、:畫^表示觀測矩陣、|||纟|表示量測噪聲矢量； 其中，系統(tǒng)狀態(tài)向量XiV) = {> Sr及P Xs X。旮了，痧表示姿態(tài)角誤差 _t，_表示俯仰角誤差、&表示橫滾角誤差、#表示航向角誤差；f表 示速度誤差= p匕游:，濟丨表示東向速度誤差、級&北向速度誤差、C%.表 示天向速度誤差。請F表示位置誤差透P =[紙說茨ij，表示緯度誤差、表示經(jīng)度 誤差，$纖;表示高度誤差。表示陀螺標(biāo)定參數(shù)誤差、I分別表示加速度計標(biāo)定參數(shù)誤差； 蘆表示頂U與磁強計之間的安裝失準(zhǔn)角；
W.、W分別表示三軸陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差、:丨_|^、_1|^ 、分別表示陀螺儀各軸間安裝誤差角ιβι K 分別表示陀螺儀三軸零偏誤差；分別為三軸標(biāo)度因數(shù)誤差； 分別表示三軸加速度計零偏；oM、分別表示加速 度計各軸間安裝誤差角；

L/1N 丄 UD 丄 OU3UO Λ * * 1 * d/ 丄《J JA；
式中選^表示地球自轉(zhuǎn)角速率；Z表示系統(tǒng)所在位置的地理煒度；_表示系統(tǒng)所在位置 的海拔高度；纖_表示當(dāng)?shù)刈游缑嬷髑拾霃?；_:b表示當(dāng)?shù)孛厦嬷髑拾霃剑?:龜、&和 匕分別表示系統(tǒng)東向、北向和天向速度；J|、fi和?分別表示導(dǎo)航系下系統(tǒng)的比力信息； 兩^和::!^::分別表示三軸陀螺測量值；_4/、尤/和分別表示各軸向陀螺測 量值； 系統(tǒng)噪聲
分別表示三 軸陀螺在導(dǎo)航系下的零均值白噪聲，嚷1?:〖Β:?1分別表示三軸加速度計在導(dǎo)航系下 的零均值白噪聲； 由
CN 105180968 A 1>兀 h/i -p 6/13 貞
卡爾曼濾波器對狀態(tài)量:建模時，漏是一個常量，故:p春:鋒:；
其觀測量取： 其量測矩陣?。?系統(tǒng)量測
，式中F丨r)為系統(tǒng)輸出
的東北天速度信息，Iai為速度觀測信息，靜止?fàn)顟B(tài)下為0，:義Il為系統(tǒng)輸出的煒度、經(jīng)度 和高度信息，為位置觀測信息，靜止?fàn)顟B(tài)下6&位初始位置信息，為當(dāng)?shù)氐拇艌龇?量，根據(jù)地磁模型可得磁偏角和磁傾角，JiP為磁強計測得的磁場強度，_f為導(dǎo)航解算得 到的帶有姿態(tài)誤差的捷聯(lián)矩陣；系統(tǒng)觀測矩陣 ，式中表 示六階單位陣。
[0011] 步驟5 :對系統(tǒng)狀態(tài)方程進行離散化 采用泰勒級數(shù)展開：
其中__李:為狀態(tài)一步轉(zhuǎn)移