[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

说明书

本发明提供了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，属于自动化技术领域里一种信号处理方法。本发明针对航海用的力反馈模式HRG捷联惯性导航系统在受到海浪冲击产生摇摆，载体姿态角速率超过HRG角速率测量范围，并且纬度信息未知的情况下，利用与HRG惯导系统同轴安装的MEMS陀螺作为角速率测量辅助设备，通过重力矢量几何约束和惯性系对准方法，解决船舶摇摆状况下初始对准与纬度估计的问题。本发明可以实现载体处于摇摆且纬度未知情况下的初始对准，对于运动状态和外界纬度信息有较低的要求，具有很高的自主性和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及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，自动化技术领域里一种信号处理方法。

背景技术

本发明设计的是一种微机械(Micro-electromechanical Systems，MEMS)陀螺辅助的力反馈模式半球谐振陀螺(Hemispherical resonator gyro,HRG)捷联惯性导航系统摇摆基座的无纬度对准方法，更确切地说，是针对航海用的力反馈模式HRG捷联惯性导航系统在受到海浪冲击产生摇摆，载体姿态角速率超过HRG角速率测量范围，并且纬度信息未知的情况下，利用与HRG惯导系统同轴安装的MEMS陀螺作为角速率测量辅助设备，通过重力矢量几何约束和惯性系对准方法，解决船舶摇摆状况下初始对准与纬度估计的问题。属于自动化技术领域里一种信号处理方法，实现载体处于摇摆且纬度未知情况下的初始对准。

半球谐振陀螺仪是一种新型惯导级固体陀螺，它是利用在半球形谐振子上激起的驻波的哥氏效应(Coriolis Effect)来测量基座旋转角速度的一种新型振动陀螺仪。由于半球谐振陀螺仪无高速运动部件，不需温度控制，内部功耗小，潜在的失效因素最少，因而具有很高的测量精度，超强的稳定性和可靠性，良好的抗冲击振动性和温度性能。尤其是它具有长达15年以上的工作寿命，连续工作15年的可靠度可达0.995。基于上述优势，由半球谐振陀螺仪构建的捷联惯性导航系统将是航海用惯性导航设备的理想选择之一。

然而，传统的激光陀螺、光纤陀螺相比，力反馈模式HRG螺测量范围较小，虽然海洋运载器大部分的运动处于低角速率运动状态，但受不同海况的影响，海洋运载器在系泊状态对准过程中可能出现剧烈的摇摆运动，所产生的角速率可能超过力反馈模式HRG测量范围，全角模式HRG虽然测量范围较大，但目前技术不成熟，国内产能低，不适于大规模装备，且目前测量精度低于力反馈模式HRG。

MEMS陀螺虽然测量精度较低，无法达到HRG对于角速率的测量精度，但角速率测量范围较大，可以作为当角速率超过HRG器件测量范围时的角速率测量仪器。因此选用MEMS陀螺作为辅助设备，实现HRG捷联惯性导航系统的对准。这将为后续船舶导航提供有力的保障。

初始对准技术作为捷联惯性导航系统的关键技术，其对准速度和对准精度将直接决定捷联惯性导航系统的启动响应时间和姿态测量精度。传统初始对准技术在启动对准时无需经度信息，但是却严重依赖外部纬度信息，这会降低系统自主性及安全性，影响其战场生存能力。这种影响在摇摆基座下更为显著。

摇摆基座条件下，由于海浪摇摆运动引起的角速度远大于地球自转角速度，使得陀螺输出具有较低信噪比，因而无法直接从陀螺输出信息中提取地球自转角速度矢量，此时传统解析式静基座对准方法将无法工作。另外，由于罗经对准和卡尔曼滤波组合对准方法在应用时需要满足失准角是小角度的条件，因而无法完成摇摆基座任意方位航向角条件下初始对准。

尽管在摇摆基座条件下无法直接利用地球自转角速度构建约束方程，惯性系对准方法转而通过利用两个或多个时刻惯性系下重力加速度矢量构建相应约束关系，进而确定姿态变换矩阵，因此被广泛用于摇摆基座初始对准。本质上，基于速度积分形式的双矢量惯性系对准方法属于最小二乘估计范畴，对器件噪声、外界环境振动等干扰都具有较好抑制作用。