[发明专利]基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法

摘要

本发明提供的是一种基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法。利用全球定位系统确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；MEMS惯性导航系统进行预热后，采集MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的输出数据；根据MEMS加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以及MEMS陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定IMU坐标系与导航坐标系之间的角度信息，完成系统的初始对准过程；惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周期的旋转方案；将IMU旋转状态下的MEMS陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联矩阵进行更新；根据测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置，构建载体坐标系与IMU坐标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵本发明对惯性器件常值偏差进行调制，提高系统姿态精度。

主权项

1.一种基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)利用全球定位系统确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；(2)MEMS惯性导航系统进行预热后，采集MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的输出数据；(3)根据MEMS加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以及MEMS陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定IMU坐标系与导航坐标系之间的角度信息，完成系统的初始对准过程，建立MEMS惯导系统的初始捷联矩阵(4)惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周期的旋转方案：次序1，IMU围绕旋转轴顺时针连续转动360度；次序2，IMU围绕旋转轴逆时针连续转动360度，IMU按照此转动顺序循环进行且IMU转动角速度大于MEMS陀螺仪常值偏差。(5)将IMU旋转状态下的MEMS陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联矩阵进行更新：设IMU坐标系相对导航坐标系转动四元数为：Q＝q₀+q₁i_s+q₂j_s+q₃k_s其中：i_s、j_s、k_s分别表示IMU坐标系ox_s轴、oy_s轴、oz_s轴上的单位方向向量。通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正：q·0q·1q·2q·3=120-ωnssx-ωnssy-ωnsszωnssx0ωnssz-ωnxsyωnssy-ωnssz0ωnssxωnsszωnssy-ωnssx0q0q1q2q3]]>其中：分别表示IMU相对导航坐标系的转动角速度在IMU坐标系ox_s轴、oy_s轴、oz_s轴上的分量。基于四元数的IMU姿态矩阵的更新过程为：Csn=q02+q12-q22-q322(q1q2-q0q3)2(q1q3+q0q2)2(q1q2+q0q3)q02-q12+q22-q322(q2q3-q0q1)2(q1q3-q0q2)2(q2q3+q0q1)q02-q12-q22+q32]]>(6)根据测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置，构建载体坐标系与IMU坐标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵Cbn=CsnCbs=C11C12C13C21C22C23C31C32C33]]>根据与姿态角(纵摇角α、横摇角γ和航向角ψ)的函数关系可确定出载体的三个姿态角主值：航向角ψ定义域为(0°，360°)，纵摇角α定义域为(-90°，90°)，横摇角γ定义域为(-180°，180°)，得到载体姿态真值：α＝α_主