[发明专利]一种基于冗余配置的捷联惯导系统单轴旋转调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种导航方法，具体地说是捷联惯导系统导航方法。

背景技术

捷联惯导系统通常采用三个互相正交安装的陀螺仪进行载体角运动测量，进而完成导航解算，而此时任何一个陀螺仪发生故障，导航系统都将无法正常工作，系统可靠性不能满足工程实际需求。另一方面，陀螺仪漂移作为系统的主要误差源将引起随时间积累的导航误差，严重地降低系统的精度性能，致使长时间工作的导航系统失效。增加陀螺仪的数量构成冗余系统并实现陀螺仪之间的最佳配置能够有效地提高系统的可靠性，同时，对捷联惯导系统采用单轴旋转调制技术，可以有效地抑制陀螺仪漂移误差引起的导航误差发散现象，从而提高系统工作精度。因此，基于冗余配置的捷联惯导系统单轴旋转调制方法，可以同时提高系统可靠性和精度，满足长时间工作条件下对系统性能的高要求，具有重要的实际应用价值。

现有的捷联惯导系统性能提升方法，采用器件级或系统级技术，仅能单一地实现系统可靠性的增强或者导航精度的提高。程建华等人在《一种对称斜置式四陀螺惯导冗余配置方案》(发表于期刊《传感器与微系统》，2015年，02期)一文中，采用一种对称斜置式四陀螺的冗余配置方案，实现了陀螺仪数量为四，即最小陀螺仪余度情况下，系统可靠性的大幅提升。但是该方法不能抑制陀螺漂移对导航精度带来的不良影响，仅对提升系统可靠性有效。张宇飞等人在《基于IMU旋转的船用激光导航系统分析与设计》(发表于期刊《海洋技术》，2009年，02期)一文中，运用单轴旋转调制技术，使惯性器件误差在旋转周期内的均值接近于零，以此来减小系统误差积累，在不使用任何外界辅助信息的情况下实现了系统精度性能的自主提升。然而，该方法无法解决惯性器件故障导致的系统失效问题，仅能在系统正常工作的前提下提高系统精度。综上所述，现有的捷联惯导性能提升方法不能同时兼顾可靠性和精度，限制了系统实际工作条件和工作效果。

发明内容

本发明的目的在于提供同时有效地提高系统可靠性和精度的一种基于冗余配置的捷联惯导系统单轴旋转调制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于冗余配置的捷联惯导系统单轴旋转调制方法，其特征是：

(1)捷联惯导系统的陀螺仪数量为四个，对四个陀螺仪的安装结构采用对称斜置式冗余配置方案，构成四陀螺冗余式捷联惯导系统；

(2)安装四陀螺冗余式捷联惯导系统至载体，使系统初始工作时刻的坐标系oxyz与载体系重合，其中x轴、y轴和z轴分别对应于载体系中的右、前、上坐标轴；

(3)对步骤(1)中的四陀螺冗余式惯导系统采用单轴连续旋转方案，构成四陀螺冗余式单轴旋转惯导系统；

(4)将四陀螺冗余式单轴旋转惯导系统中的四个陀螺仪的测量值分别投影到坐标系oxyz上，并进一步计算在单轴连续旋转条件下载体系上陀螺仪的等效测量值；

陀螺仪测量值变换到载体系下的测量方程为

式中，为陀螺仪测量值变换到载体系下的测量值；为由单轴旋转引起的坐标系oxyz到载体系的变换矩阵，即

为冗余配置中四陀螺仪测量值投影至坐标系oxyz上的等效测量值，即

ω_r为捷联惯导系统单轴旋转角速率，即ω_r＝2π/T_r；α为陀螺仪测量值等效至坐标系oxyz的变换矩阵参数，由四陀螺冗余配置结构决定α＝54.73°；ω₁、ω₂、ω₃和ω₄分别为四个陀螺仪的测量值；

(5)将步骤(4)计算得到的代入导航解算过程，使系统实时连续地输出载体的姿态、速度和位置的导航信息，直至导航任务结束。

本发明还可以包括：

1、所述的对称斜置式冗余配置方案为：

针对侧面为等边三角形、底面为正方形、且侧面与底面夹角为54.73°的五面体，选取底面中心为坐标系原点o，底面的两个对角线分别为x轴和y轴，z轴与x轴及y轴构成右手直角坐标系oxyz，参照该五面体安装四个陀螺仪使四个陀螺仪的测量轴相交于原点o，且分别垂直于五面体的四个侧面。

2、所述的单轴连续旋转方案为：

捷联惯导系统绕坐标系oxyz中z轴做连续旋转，旋转周期为T_r。