一種mems等效單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的傳遞對(duì)準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，特別是等效旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的傳遞對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差估計(jì)方 法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展，以其低成本、小體積，集成化、低功耗，抗高沖擊，又可 大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，成為各種導(dǎo)航系統(tǒng)的首選。通過(guò)慣性組件（IMU)繞旋轉(zhuǎn)軸做有規(guī)律的旋 轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制慣性器件的低頻誤差，這種旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外提高慣性導(dǎo)航精度的關(guān)鍵 技術(shù)之一，在不使用外部信息的條件下，自動(dòng)補(bǔ)償陀螺漂移和加速度計(jì)常值及慢變誤差引 起的系統(tǒng)誤差，同時(shí)也能消除刻度系數(shù)誤差和安裝誤差的影響，這是提高M(jìn)EMS慣性測(cè)量系 統(tǒng)精度的一種有效途徑。
[0003] 使用MEMS慣性測(cè)量系統(tǒng)的武器一般需要初始對(duì)準(zhǔn)，特別對(duì)動(dòng)態(tài)載體來(lái)說(shuō)，需要傳 遞對(duì)準(zhǔn)，像飛行器、艦船和裝甲車(chē)輛等載體，對(duì)戰(zhàn)術(shù)武器來(lái)說(shuō)工作時(shí)間及短，因此需要較高 的對(duì)準(zhǔn)精度高，尤其姿態(tài)精度，因?yàn)樗俣群臀恢镁瓤捎尚l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)來(lái)修正，而姿態(tài)精度 主要由MEMS陀螺儀的精度來(lái)確定，所以在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)能夠?qū)T性器件誤差估計(jì)并補(bǔ)償， 這對(duì)低精度的慣導(dǎo)是致關(guān)重要的，因此如何在有效的工作時(shí)間內(nèi)提高導(dǎo)航精度關(guān)鍵在于提 高初始對(duì)準(zhǔn)精度和器件誤差估計(jì)。
[0004] 由于戰(zhàn)術(shù)武器本身體積小和能量有限等特點(diǎn)，因此其導(dǎo)航系統(tǒng)就得要求體積小、 成本低、功耗低和抗沖擊力強(qiáng)等要求，如果引入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)，就得需要精密電 機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和電源等，這些都很難滿足戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器的要求。
[0005] 由于戰(zhàn)術(shù)武器一般依附在其他載體上，如導(dǎo)彈、炸彈要掛在或內(nèi)埋在載機(jī)上，艦船 上的武器也是安裝船的某個(gè)部位，要和船一起運(yùn)動(dòng)。
[0006] 實(shí)際的武器系統(tǒng)一旦發(fā)射，就離開(kāi)了載體，如飛機(jī)空投制導(dǎo)彈藥，艦船上發(fā)射武 器，這個(gè)時(shí)候就不能對(duì)武器本身來(lái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也即是自主運(yùn)動(dòng)期間不能構(gòu)造旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)進(jìn) 行旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差。
[0007] 為了能夠在戰(zhàn)術(shù)武器的制導(dǎo)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)制來(lái)提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，不能 夠以慣導(dǎo)的自身旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)，那就借助外部運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)等效旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)。
[0008] 因此充分利用運(yùn)載體的機(jī)動(dòng)，如飛機(jī)、艦船和車(chē)輛等載體的機(jī)動(dòng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)等效 旋轉(zhuǎn)，在機(jī)動(dòng)期間進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，也即是等效旋轉(zhuǎn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)。
[0009] 在傳遞對(duì)準(zhǔn)中我們不考慮速度誤差，因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)校正，精度較高，主要為對(duì)準(zhǔn)過(guò) 程中姿態(tài)誤差角估計(jì);傳遞對(duì)準(zhǔn)的中姿態(tài)誤差角估計(jì)過(guò)程是利用主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù) 的差值作為觀測(cè)量對(duì)主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)間的姿態(tài)誤差角及慣性元件誤差進(jìn)行估計(jì)的過(guò)程，并 根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)子慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，從而達(dá)到提高子慣導(dǎo)導(dǎo)航精度的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]采用MEMS慣性測(cè)量系統(tǒng)的制導(dǎo)武器來(lái)說(shuō)工作時(shí)間短，需要較高的對(duì)準(zhǔn)精度，尤其 姿態(tài)精度，同時(shí)能夠在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)慣性器件誤差估計(jì)并補(bǔ)償，提高在有效工作時(shí)間內(nèi)的 導(dǎo)航精度。
[0011]利用載體的航向機(jī)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而俯仰和滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)就會(huì)受到很大限制，如 飛機(jī)和艦船很難實(shí)現(xiàn)"翻跟頭"和"打滾"運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)軸向上無(wú)法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)制。
[0012] 對(duì)載機(jī)、艦船和車(chē)輛等載體來(lái)說(shuō)很容易實(shí)現(xiàn)航向機(jī)動(dòng)，因此借助載體航向機(jī)動(dòng)實(shí) 現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)調(diào)制制導(dǎo)武器慣導(dǎo)系統(tǒng)器件的誤差，進(jìn)而減小系統(tǒng)誤差。
[0013] 在航向機(jī)動(dòng)期間進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)和慣性器件誤差估計(jì)及補(bǔ)償。
[0014] 設(shè)載體主慣導(dǎo)，彈載子慣導(dǎo)，子慣導(dǎo)坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系0%??， 導(dǎo)航坐標(biāo)系4???，慣性坐標(biāo)系〇*#否，地球坐標(biāo)系《ay,，下標(biāo)表示主慣導(dǎo)，:丨表示子 慣導(dǎo)，表示旋轉(zhuǎn)系，>*表示地球坐標(biāo)系，|表示慣性系，〃表示地球系。
[0015] 設(shè)初始時(shí)刻子慣導(dǎo)坐標(biāo)系)與載體坐標(biāo)系重合，然后進(jìn)行航向 機(jī)動(dòng)，即子慣導(dǎo)坐標(biāo)系繞f方向以角速度巧連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則#時(shí)刻慣導(dǎo)坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系 之間的轉(zhuǎn)換矩陣可表示為：
[0016] 利用航向機(jī)動(dòng)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)與直接旋轉(zhuǎn)不同的是子慣導(dǎo)坐標(biāo)系（％乂4 )與載體坐標(biāo) 系)一直重合，即保持初始時(shí)刻的狀態(tài)。
[0017] 彈載子慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)角誤差模型^
〖，其中沿載體縱 軸線為X軸，垂直載體向?yàn)閆軸，按右手坐標(biāo)系構(gòu)造載體坐標(biāo)系，爐為計(jì)算導(dǎo)航坐標(biāo)系與真實(shí) 導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的姿態(tài)誤差，和知分別為角速度和角速度誤差，C?為捷聯(lián)姿態(tài)矩陣， 表示在導(dǎo)航坐標(biāo)系?系內(nèi)，導(dǎo)航坐標(biāo)系》系相對(duì)慣性坐標(biāo)系?系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
[0018] 在進(jìn)行航向機(jī)動(dòng)時(shí)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)調(diào)制時(shí)系到Α系的方向余弦陣為<?.，則旋轉(zhuǎn)式捷 聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，姿態(tài)角誤差方程變?yōu)?br>.?為單位陣，所以姿 態(tài)矩陣仍夷
：，式中的參數(shù)上標(biāo)表示在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系內(nèi)的分量值， 下標(biāo)表示相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。
[0019] 由于主慣導(dǎo)精度較高，可以認(rèn)為無(wú)誤差，所以航向機(jī)動(dòng)時(shí)的傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差姿態(tài)誤 差方程為. " .
_ . "
[0020] 姿態(tài)誤差方程中的Μ是角速度誤差相對(duì)慣性系在廣系中的表示，即軾土_+_4:_+1 其中，湖:陀螺的刻度系數(shù)誤差為 _ _ 9三個(gè)軸向的陀螺儀刻度
系數(shù)誤差;況為3個(gè)陀螺儀的安裝誤差角
為一個(gè)對(duì)稱(chēng)矩陣，即％=1^_: ，^=? 和巧分別為陀螺儀的常值漂移和隨機(jī)漂移。
[0023] 由第1-4項(xiàng)可知，通過(guò)航向機(jī)動(dòng)，構(gòu)造旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)把安裝誤差和刻度系數(shù)誤差 和常值漂移調(diào)制周期函數(shù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期解算為〇,即誤差很大程度的減小，但在構(gòu)造旋轉(zhuǎn) 軸上的誤差無(wú)法消除。
[0024] 在這個(gè)構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)調(diào)制過(guò)程中，大部分誤差被自動(dòng)補(bǔ)償?shù)袅?，無(wú)法表示出來(lái)，傳遞 對(duì)準(zhǔn)應(yīng)該包括兩個(gè)過(guò)程:航向機(jī)動(dòng)過(guò)程和直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在航向機(jī)動(dòng)過(guò)程中調(diào)制誤差，在直 線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中估計(jì)誤差，因?yàn)樵谡{(diào)制過(guò)程會(huì)把誤差大部分調(diào)制補(bǔ)償?shù)簦僭谥本€運(yùn)動(dòng)過(guò)程 利用主慣導(dǎo)提供的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差，最后進(jìn)行子慣導(dǎo)誤差補(bǔ)償。
[0025] 傳遞對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差估計(jì)步驟包括：（1)彈隨載體一起運(yùn)動(dòng)，子慣導(dǎo)進(jìn)入初始化，從 4時(shí)刻進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)；（2)載體從~時(shí)刻到％時(shí)刻進(jìn)行航向機(jī)動(dòng)；（3)在:?時(shí)刻開(kāi)始載體進(jìn)行 直線運(yùn)動(dòng)，到&時(shí)刻，記錄時(shí)刻主子慣導(dǎo)之間的誤差麵#仏.；（4)在\時(shí)刻到6:時(shí)刻之間， 載體做了機(jī)動(dòng)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)調(diào)制，誤差會(huì)大幅度的降低，而直線運(yùn)行期間誤差會(huì)很大，利用主 子慣導(dǎo)之間的差值估計(jì)出單位時(shí)間內(nèi)由陀螺儀導(dǎo)致的誤差為： (4)如果時(shí)間和條件允許，重復(fù)上述過(guò)程，然后取平均。
[0026] 如果載體無(wú)主慣導(dǎo)或故障時(shí)，傳遞對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差自估計(jì)步驟包括：（1)彈隨載體一 起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)；（2)載體從&時(shí)刻到時(shí)刻進(jìn)行航向機(jī)動(dòng)，記錄~時(shí)刻的慣導(dǎo)誤差 巧^^;(3)在心時(shí)刻載體進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，到，時(shí)刻，滿足，-4=卷-%，記錄％.時(shí)刻慣導(dǎo)誤 差在相等的時(shí)間內(nèi)，近似的運(yùn)動(dòng)外界環(huán)境，陀螺儀的誤差導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差應(yīng)該 是一樣的，但在$時(shí)刻到4時(shí)刻之間，載體做了機(jī)動(dòng)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)調(diào)制，誤差會(huì)大幅度的降 低，而直線運(yùn)動(dòng)期間誤差會(huì)很大，利用兩者之間的差值估計(jì)單位時(shí)間內(nèi)由陀螺儀導(dǎo)致的誤
V 差為 i; (4)如果時(shí)間和條件允許，重復(fù)上述過(guò)程，然 !. 后取平均。
[0027] 盡管通過(guò)航向機(jī)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)可以估計(jì)出X和y軸向的誤差，而z軸上的不能通過(guò) 旋轉(zhuǎn)調(diào)制的方法估計(jì)出來(lái)，在機(jī)動(dòng)結(jié)束記錄&時(shí)刻的子慣導(dǎo)姿態(tài)，在直線運(yùn)動(dòng)結(jié)束:? 時(shí)刻記錄子慣導(dǎo)姿態(tài)供％，則單位時(shí)間