[发明专利]一种快速估计惯性测量单元全部零偏的方法

说明书

本发明涉及一种快速估计惯性测量单元全部零偏的方法。利用解析粗对准捷联矩阵非正交、非单位化误差与北向、天向陀螺及天向加速度计零偏的关系，通过分别将惯性测量单元三轴指向天向，获得惯性测量单元对应轴的零偏估计公式。根据三位置采集的静态数据，即可快速估计陀螺仪和加速度计三轴的六个零偏。由于采集数据后直接计算，不存在等待卡尔曼滤波收敛等问题，可实现全部零偏的快速估计。由于该方法不需要转台等专用设备，仅需要放置惯性测量单元的水平面，因此特别适合外场应用。该发明具备可估计全部零偏、估计时间短、配套设施要求低等特点，具有非常高的工程实用价值。本发明属于惯性导航技术领域，可应用于惯性组件的误差标定、测试等。

技术领域

本发明涉及一种快速估计惯性测量单元全部零偏的方法，适用于惯性组 件外场误差标定和测试等场合。

技术背景

捷联惯导系统(SINS)具有自主性较强、能提供连续和全面的信息(包 括位置、速度和姿态)等特殊优势，已广泛应用于军事和民用领域，如民用 飞机、车辆导航，民用领域的测绘，军用飞机、导弹、军舰及其武器系统导 航等军用领域。然而，由于惯性传感器存在偏差，SINS的导航误差随时间 发散。SINS的导航精度主要依赖于惯性测量单元(IMU)的精度，IMU由 三轴正交安装的陀螺仪组件、加速度计组件构成。因此，对加速度计和陀螺 仪的偏差进行估计和补偿是提高SINS导航精度的有效方法。

对实际应用的惯导系统来说，使用前都需要进行充分的实验室内标定 工作，但是由于惯性器件自身误差特性，陀螺仪及加速度计的常值零偏随时 间及不同的启动发生变化。通常在惯导系统初始对准阶段对这部分常值漂移 采用卡尔曼滤波进行估计补偿，但是对于静止惯导系统，IMU常值漂移部分 可观测，因此，在对准阶段多次改变IMU姿态也是提高SINS传统误差模型 可观测性的有效方法。这种方法被称为多位置对准，需要采用多位置转动对 准(比如二位置、三位置等)，或者增加机动来增加可观测度。

目前主要的IMU常值漂移估计方法二位置测漂、三位置测漂、以及与 其他辅助导航系统组合导航在线标定的方法。但是，在这些方法中，特殊的 可旋转装置始终是旋转SINS的先决条件，这对于许多应用来说非常不方便。 且普遍存在对IMU常值零偏不能完全估计的问题。同时，这些方法的最大 的问题是需要等到卡尔曼滤波器收敛，通常需要很长的一段时间。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对传统惯性测量单元零偏估计中存在的不 能估计全部零偏、估计耗时长、配套设施要求高等问题，提出一种无转台情 况下的惯性测量单元全部零偏快速估计方法。本发明方法可对惯性测量单元 的全部零偏(含陀螺仪三轴和加速度计三轴的零偏)进行估计；无需等待卡 尔曼滤波收敛，可实现快速估计；不需要其他的转台等专用测试设备，仅需 要放置惯性测量单元的水平面。该发明有效克服了传统零偏估计中的问题， 具备估计快速、配套设施要求低等特点，工程可应用性强，特别适用于外场 工程实际零偏估计。

本发明的技术解决方案：

分别将惯性测量单元三轴指向天向，根据三位置采集的静态数据计算姿 态矩阵，利用解析粗对准捷联姿态矩阵非正交、非单位化误差与北向、天向 陀螺及天向加速度计零偏的关系，可快速估计陀螺仪和加速度计三轴的六个 零偏。具体步骤如下：

(1)将惯性测量单元放置于水平面上，惯性测量单元x轴指向天向， 采集陀螺仪数据和加速度计数据；

(2)通过采集到的陀螺仪数据和加速度计数据计算从载体系到导航系 的姿态转换矩阵

其中，ω_x、ω_y、ω_z为三轴陀螺仪采集的角速度，f_x、f_y、f_z为三轴加速度计 采集的加速度，g_p、Ω、L分别为当前惯性测量单元所在位置的重力加速度幅 值、地球自转角速度幅值和纬度，tan为正切函数，cos为余弦函数；