惯性导航技术应用于姿态测量的优化方案

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：捷联式惯性导航系统没有物理伺服平台。初始对准是指惯性系统进入导航工作状态之前, 确定每个加速度计输入轴的方向或者捷联矩阵的初始值。当前状态计算是指惯性系统进入导航工作状态, 根据加速度计和陀螺仪输出, 按照力学方程组, 实时解算并提供载体的速度、位置和姿态角等导航参数信息。随着航海、航空、航天技术的不断发展, 人们对惯性导航系统工作精度要求越来越高。

惯性导航系统简称惯导, 是一种自主式导航系统, 它利用惯性仪表 (陀螺仪和加速度计) 测量运动载体在惯性空间中的角运动和线运动, 根据载体运动微分方程组实时、精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角 (定义为载体坐标系相对于地理坐标系的方位角)。

和无线电导航系统不同, 惯性导航系统既不接收外来的无线电信号, 也不向外辐射电磁波, 它的工作不受外部环境的影响, 具有全天候、全时空工作能力和很好的隐蔽性。它有很快的响应特性, 更新率很高 (50 ~1 000 Hz), 而且导航参数短期精度高、稳定性好。它适合于海、陆、空、水下、航天等多种环境下的运动载体精密导航和控制, 在军事上具有重要意义。

惯性导航系统分为平台式惯性导航系统 (INS) 和捷联式惯性导航系统(SINS)。

(1) 平台式惯性导航系统有一个由3 轴陀螺稳定的物理伺服平台, 伺服平台用来隔离运载体角运动对加速度测量的影响, 而且伺服平台始终跟踪当地水平地理坐标系或者游动坐标系, 为惯性导航系统提供导航用的物理坐标系(测量基准); 同时, 为正交安装的3 只加速度计在平台台面上提供准确的安装基准。加速度计输出的比力矢量经过哥氏加速度、向心加速度和重力加速度校正之后, 对时间进行二重积分, 可以获得运载体在导航坐标系中的速度和位置, 姿态角由稳定平台3 个环架轴上安装的角度信号器测得。

(2) 捷联式惯性导航系统没有物理伺服平台。3 只陀螺仪和3 只加速度计正交安装在一个精密加工的金属台体上, 通常, 陀螺仪输入轴坐标系、加速度计输入轴坐标系和台体坐标系三者重合, 台体直接固连在运动载体上, 且台体坐标系和载体坐标系重合 (如果台体坐标系和载体坐标系不重合, 加速度计输出的比力矢量需要进行杠杆臂效应校正)。陀螺仪输出的角速度矢量经过不可交换性误差校正后, 对时间积分以获得加速度计在惯性空间的方位信息, 基于这些方位信息求解捷联矩阵微分方程可以得到捷联变换矩阵姿态角。捷联变换矩阵完成加速度计输出的比力矢量从载体坐标系到导航坐标系的转换, 起到物理伺服平台的作用。习惯上, 将捷联矩阵微分方程的求解过程和捷联变换矩阵的作用称为数学平台或者解析平台。导航坐标系中的比力矢量经过哥氏加速度、向心加速度和重力加速度校正后, 对时间进行二重积分, 可以获得运载体在导航坐标系中的速度和位置。

通常, 惯导导航系统的整个工作包括标定、初始对准、状态初始化和当前状态计算4 个阶段。

(1) 标定是指惯性系统进入导航工作状态之前, 确定加速度计敏感的比力和陀螺仪敏感的角速度与实际的比力和角速度之间的关系, 提供正确表达加速度计和陀螺仪输出的系数。

(2) 初始对准是指惯性系统进入导航工作状态之前, 确定每个加速度计输入轴的方向或者捷联矩阵的初始值。

(3) 状态初始化是指惯性系统进入导航工作状态之前, 确定导航坐标系中比力二重积分的积分常数(初始速度和初始位置)。

(4) 当前状态计算是指惯性系统进入导航工作状态, 根据加速度计和陀螺仪输出, 按照力学方程组, 实时解算并提供载体的速度、位置和姿态角等导航参数信息。

惯性导航系统是一个时间积分系统, 陀螺仪和加速度计误差(特别是陀螺仪误差) 将导致惯性导航系统的导航参数误差随时间迅速积累。

随着航海、航空、航天技术的不断发展, 人们对惯性导航系统工作精度要求越来越高。单纯采用提高惯性仪表制造精度的方法来提高惯性导航系统工作精度, 将导致生产成本急剧增加, 有时甚至是不可能的。

在静基座条件下, 精确地标定惯性仪表参数, 按照静态误差数学模型和动态误差数学模型对惯性仪表稳态输出进行补偿 (或校正), 可以提高惯性仪表的工作精度, 进而达到提高惯性导航系统工作精度的目的。

惯性导航技术应用于姿态测量的优化方案

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