[发明专利]一种双轴旋转惯导系统姿态角误差标定方法

权利要求书

1.一种双轴旋转惯导系统姿态角误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构造坐标系，包括：

陀螺仪组件坐标系，记为G系，x_g轴，y_g轴，z_g轴分别为x陀螺仪，y陀螺仪和z陀螺仪的敏感轴；

加速度计组件坐标系，记为a系，x_a轴，y_a轴，z_a轴分别为x加速度计，y加速度计和z加速度计的敏感轴；

IMU坐标系，记为S系，所述IMU坐标系与平台固联，并随平台旋转；所述IMU坐标系的中心在IMU结构中心，且初始时刻，y_s轴与y_g轴重合；

实际平台坐标系，记为P系，z_p以指向“天”为正，且沿天向旋转轴，y_p为水平轴且以指向艏向为正；

调制平均坐标系，记为所述调制平均坐标系为固定坐标系，其中心在IMU加速度计组合件中心，且初始时刻，轴指向“天”，并与z_p轴重合，指向艏；

载体坐标系，记为b系，其原点在载体形心，x_b轴，y_b轴，z_b轴分别指向船的右向，艏向和天向；

系统底座坐标系，记为O系，其坐标中心与底座结构形心重合，其中，z_o轴垂直于安装底面，y_o轴平行于平台水平轴；

内框架上读角装置坐标系，记为S1系，其与读角装置固联，且随IMU一起旋转，其中，y_s1轴的方向为读角装置转子部分旋转矢量的正方向；

内框架轴坐标系，记为K1系，所述内框架轴坐标系为固定坐标系，是指内框架上的读角装置处于零位时的坐标系；

外框架上读角装置坐标系S2，其与读角装置固联，且随IMU一起旋转，y_s2轴的方向为读角装置转子部分旋转矢量的正方向；

外框架轴坐标系K2，其为固定坐标系，所述外框架轴坐标系为固定坐标系，是指外框架上的读角装置处于零位时的坐标系；

还包括地球坐标系，记为e系，以及导航坐标系，记为n系；

以上坐标系均满足右手定则；

步骤2：标定IMU坐标系与实际平台坐标系之间的翻滚失准角，所述翻滚失准角是指安装于内框架上的IMU的轴系与内环轴和外环轴之间的安装偏差角；

步骤3：考虑轴摆角和轴非正交角，建立IMU坐标系至调制平均坐标系之间的转换矩阵

步骤4：利用卡尔曼滤波方法，标定IMU绕内环轴旋转产生的轴摆角α₁，IMU绕外环轴旋转产生的轴摆角α₂，以及实际平台坐标系与调制平均坐标系之间的轴非正交角η；

其中，步骤2具体包括如下步骤：

步骤21：系统水平粗对准，得到初始姿态矩阵：系统通过调平机构调成水平状态，并按照“东北天”放置，进入导航状态，使内框架分别处于零位和180°位置，分别得到IMU姿态矩阵和其中，所述内框架处于零位时，是指所述内框架轴坐标系与内框架上读角装置坐标系之间绕天向轴的转角α为0°；而所述内框架处于180°时，是指所述内框架轴坐标系与内框架上读角装置坐标系之间绕天向轴的转角α为180°

步骤22：利用步骤21中的IMU姿态矩阵，计算纵摇角误差Δθ₁，横摇角误差Δγ₁；计算过程如下：

令，则有，

步骤23：计算内框架轴坐标系相对于导航坐标系的姿态矩阵

其中，α是指所述内框架轴坐标系与内框架上读角装置坐标系之间绕天向轴的转角；所述IMU坐标系相对于导航坐标系的姿态矩阵由导航解算而来；

步骤24：计算绕天向轴偏转误差角以及绕水平轴偏转误差角Δγ₂，计算过程如下：

令，则有

步骤25：计算外框架轴坐标系相对于导航坐标系的姿态矩阵

其中，β是指外框架轴标坐标系到外框架上读角装置坐标系之间的纵摇角；

步骤4的具体步骤包括：

步骤41：创建卡尔曼滤波状态方程；

；

其中，状态变量表示为：

观测方程为：z＝HX+V，其中观测矩阵表示为：

L表示纬度；V为观测噪声向量，且为白噪声；

步骤42：采用16位置旋转法获取卡尔曼滤波过程的观测信息及导航数据；

步骤42中所述的16位置旋转法获取卡尔曼滤波过程的观测信息及导航数据的旋转过程如下：

(1)在静基座条件，启动系统进入导航状态；

(2)调整结构上的调平机构和方位调整机构使IMU的敏感轴在初始零位时指向“东北天”，且水平姿态角和航向角均为零；

(3)按照16位置旋转法设定的旋转次序对IMU进行选择，且每个次序下旋转角速度为15°/s；

(4)连续转位直到估计变量结果收敛，标定结束。