[发明专利]一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法

权利要求书

1.一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将力反馈模式的高精度HRG、MEMS陀螺安装于船舶上，两种陀螺x轴平行指向船右舷方向，y轴指向船艏方向，z轴指向天向，并与装有数据采集软件的计算机相连；

步骤二：在船舶对准过程中，同时采集半球谐振陀螺捷联惯性导航系统和MEMS陀螺的数据；

步骤三：通过设置阈值，判断摇摆运动中角速率超过HRG测量范围的数据，通过MEMS陀螺输出作为HRG捷联惯性导航系统在该轴的角速率输出值；

步骤四：基于惯性系重力表观运动，利用惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束估计得到当地纬度信息；

步骤五：再利用惯性系对准方法，实现对准；

步骤六：将对准得到的姿态矩阵存入导航计算机中，完成对准过程。

2.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，其特征在于，步骤三所述的力反馈模式HRG测量精度高，但是测量范围有限，当角运动幅值较大超过力反馈模式HRG陀螺量测范围，无法完成自对准；采用MEMS陀螺辅助其完成摇摆状态对准，具体方法为：

1)同时采集捷联惯性导航系统HRG的角速率数据和同轴安装MEMS陀螺所测量得到的角速率信息，根据HRG测量范围，设置阈值λ；

2)比较HRG测量值与阈值，选择是否将MEMS输出作为对准数据，具体方法为：

其中，IMUx，IMUy，IMUz分别为用于对准的三轴陀螺的数据，t为数据采集的时刻HRGx，HRGy，HRGz分别为HRG三轴陀螺输出的数据，MEMSx，MEMSy，MEMSz分别为MEMS三轴陀螺输出的数据，λ为设置的阈值，将重构得到的陀螺数据和惯性导航系统的加速度数据用于摇摆基座的对准。

3.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，其特征在于，步骤四所述的利用惯性空间两不同时刻重力矢量几何约束估计得到当地纬度信息，具体方法为：

1)重力加速度g在惯性空间内的方向由gⁱ(t1)变成了gⁱ(t2)，gⁱ(t1)和gⁱ(t2)之间的夹角为θ，θ角可以通过下面的公式确定：

上式中t1＝t2/2，t2为对准过程中的当前时刻，t1为对准过程中的中间时刻；

2)α角为gⁱ(t1)变成gⁱ(t2)过程中转动经过的角度，表达方式为：

α＝ω_ie(t2-t1)；

ω_ie为地球自转角速率；

3)根据几何关系：

其中L为当地纬度，最终得到纬度估计的表达式：

最终得的纬度估计结果L。

4.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺辅助的半球谐振陀螺捷联惯性导航系统摇摆基座无纬度对准方法，其特征在于，步骤五所述的利用惯性系对准方法实现对准，具体方法为：

1)根据矩阵链式法则，将展开成分别对分解得到的三个矩阵进行求取；

2)由于为常值，即n(t)系相对于n(0)系为定轴转动，由上式可解得的表达方式：

其中为表示方便，对于任意三维列向量V＝[V_x V_y V_z]^T，用(V×)表示3阶矩阵：

其中I为单位矩阵，ω_ie为地球自转角速率，t为当前时刻；

所以有：

gⁿ⁽⁰⁾＝-g[sinω_ietcosL (1-cosω_iet)sinLcosL 1-(1-cosω_iet)cos²L]^T；

其中gⁿ⁽⁰⁾为重力加速度在n(0)系下的投影；

其次，加速度计的比力输出在b(0)系投影为：

其中：

上式中Δθ₁与Δθ₂分别为陀螺测量得到的角速率增量信息，为圆锥误差补偿后得到的等效旋转矢量；

3)：使用双矢量定姿算法求解为了降低线运动干扰的影响，在初始对准过程中对式积分处理，记

其中F₁^b(0)和分别为两段时间重力矢量在初始载体坐标系下的投影，和分别为两段时间重力矢量在初始导航坐标系下的投影；

两者满足如下关系：

通过以下公式，计算得到初始时刻捷联矩阵：

为了得到粗对准末了时刻的姿态矩阵，可使用如下公式进行计算

据此，得到捷联矩阵，完成纬度估计与初始对准。