賈繼超，秦永元，張 波，吳訓(xùn)忠

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072；2.航天第十六研究所，西安 710100；3.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038）

激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外場快速標(biāo)定新方法

賈繼超1,2，秦永元1，張 波2，吳訓(xùn)忠3

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072；2.航天第十六研究所，西安 710100；3.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038）

針對激光陀螺具有標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定、漂移誤差變化小的特點(diǎn)，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺及加速度計(jì)組件簡化誤差參數(shù)模型，推導(dǎo)出了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外場快速自標(biāo)定的誤差模型，設(shè)計(jì)了激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)9位置系統(tǒng)級標(biāo)定方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可快速準(zhǔn)確的標(biāo)定出加速度計(jì)組件的標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差、零偏及激光陀螺安裝誤差等 15個主要參數(shù)，方法簡單易行。

激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；參數(shù)穩(wěn)定性；系統(tǒng)級標(biāo)定；誤差參數(shù)辨識

通過系統(tǒng)級標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行捷聯(lián)慣性系統(tǒng)誤差參數(shù)的快速估計(jì)與補(bǔ)償，是解決參數(shù)性能保持期問題、提高系統(tǒng)精度的重要途徑之一[1]。文獻(xiàn)[2-3]的系統(tǒng)級標(biāo)定方法，結(jié)合姿態(tài)矩陣，靜態(tài)下以加速度計(jì)比力測量值在當(dāng)?shù)厮降乩碜鴺?biāo)系下的投影為觀測量，經(jīng)過靜止—轉(zhuǎn)動—靜止的標(biāo)定過程，可以標(biāo)定出陀螺、加速度計(jì)組件的標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差角及零偏等全部 24個主要參數(shù)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種多位置連續(xù)轉(zhuǎn)動標(biāo)定方案，通過測量每個位置靜態(tài)導(dǎo)航狀態(tài)下的速度誤差，采用最小二乘法，全面辨識所有24個誤差參數(shù)。文獻(xiàn)[5]基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外場自標(biāo)定的加速度計(jì)組件誤差參數(shù)模型。以慣性組合轉(zhuǎn)動后重新調(diào)平的水平姿態(tài)修正量以及靜態(tài)下重力測量誤差為觀測量，不依賴外界方向姿態(tài)轉(zhuǎn)角等基準(zhǔn)信息，實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)組件主要誤差參數(shù)在外場條件下的自標(biāo)定，并給出了標(biāo)定參數(shù)的修正方法。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，利用激光陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定、漂移誤差變化小的特點(diǎn)，建立了適合激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外場快速自標(biāo)定的簡化誤差參數(shù)模型，推導(dǎo)出了適合激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外場快速自標(biāo)定的誤差模型，提出了激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)9位置系統(tǒng)級標(biāo)定方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可快速準(zhǔn)確的標(biāo)定出系統(tǒng)各項(xiàng)誤差系數(shù)。

1 誤差參數(shù)標(biāo)定模型

1.1 慣性組件誤差模型

不考慮加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)的非線性影響，加速度計(jì)組合的誤差模型可寫為：

激光陀螺具有標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定、零偏誤差變化小的特點(diǎn)[5]，激光陀螺標(biāo)度因數(shù)和零偏可作為外場自標(biāo)定的基準(zhǔn)，由安裝誤差引起的激光陀螺的誤差模型如下：

從式(1)和式(2)可以看出，所建立的激光陀螺及加速度計(jì)組件簡化誤差參數(shù)模型一共包括 15個誤差參數(shù)，較大多數(shù)文獻(xiàn)中所建立的慣性儀表誤差模型少了9個參數(shù)，有利于簡化標(biāo)定算法，縮短標(biāo)定時間，更適合外場條件下的快速標(biāo)定。

1.2 誤差參數(shù)標(biāo)定模型

文獻(xiàn)[6]給出了導(dǎo)航速度誤差與慣性儀表誤差參數(shù)之間的代數(shù)關(guān)系，結(jié)合上節(jié)給出的慣性組件誤差模型，可以推導(dǎo)出適合激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速標(biāo)定的誤差模型如下式所示：

2 系統(tǒng)級標(biāo)定方案設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)定位置編排

本標(biāo)定方法是基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)多位置翻滾試驗(yàn)進(jìn)行的，試驗(yàn)可分為靜止—轉(zhuǎn)動—靜止三個階段。首先在靜止?fàn)顟B(tài)下對慣導(dǎo)進(jìn)行解析粗對準(zhǔn)；然后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的位置編排旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)，在轉(zhuǎn)動完成并靜止后，以加速度計(jì)比力測量值在當(dāng)?shù)厮降乩碜鴺?biāo)系下的投影為觀測量，作為導(dǎo)航誤差觀測量。

起始位置機(jī)體系大致指向東北天，啟動激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；在第一個位置靜止2 min后，按圖1中所示方向轉(zhuǎn)動到第二個位置；靜止2 min后再轉(zhuǎn)到第三個位置，按圖1中位置編排依次進(jìn)行；到第9個位置靜止2 min后即可關(guān)閉系統(tǒng)，利用保存的加速度計(jì)和陀螺儀脈沖數(shù)據(jù)對系統(tǒng)15個誤差系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 9位置標(biāo)定位置編排Fig.1 Nine-position calibration arrangement

2.2 系統(tǒng)誤差系數(shù)確定

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用的某型激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由三個激光陀螺和三個石英撓性加速度計(jì)等組成。試驗(yàn)過程中不采用任何轉(zhuǎn)臺，直接采用人工手動方式在平板上完成標(biāo)定測試。在一次啟動激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)過程中做三組9位置試驗(yàn)。每組9位置試驗(yàn)需要時間在0.5h以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 9位置標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of nine-position

表1第2列為三次9位置法標(biāo)定結(jié)果的均值，第3列為三次9位置法標(biāo)定結(jié)果的極差，第4列為利用傳統(tǒng)標(biāo)定方法標(biāo)定出的基準(zhǔn)值，第5列為9位置法相對于基準(zhǔn)值的標(biāo)定誤差。表1中Mx、My、Mz分別為加速度計(jì)x、y和z的標(biāo)度因數(shù)，從表1中可以看出，利用9位置標(biāo)定方法和傳統(tǒng)標(biāo)定方法的標(biāo)定結(jié)果精度相當(dāng)，其中加速度計(jì)零偏最大相差 33μg，加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)最大相差2.8×10-5，加速度計(jì)安裝誤差最大相差6.2″，陀螺儀安裝誤差最大相差5.4″。

4 結(jié) 論

本文從工程需要的角度出發(fā)，提出了一種適用于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的9位置快速標(biāo)定方法，該方法通過合理的位置編排，靜態(tài)下以加速度計(jì)比力測量值在當(dāng)?shù)厮降乩碜鴺?biāo)系下的投影為觀測量，經(jīng)過靜止—轉(zhuǎn)動—靜止的標(biāo)定過程，可以標(biāo)定出加速度計(jì)組件的標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差角、零偏及陀螺安裝誤差15個主要參數(shù)。通過實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，9位置標(biāo)定與傳統(tǒng)標(biāo)定方法相比：標(biāo)度精度相當(dāng)，標(biāo)定時間節(jié)約一半以上。本文提出的激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速標(biāo)定方案具有較高的工程應(yīng)用價值。

（References）：

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[6]楊曉霞，黃一.激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的一種系統(tǒng)級標(biāo)定方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2008，16(1)：1-7.YANG Xiao-xia,HUANG Yi.Systematic calibration method for laser gyro SINS[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2008,16(1):1-7.

[7]張亮.激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的系統(tǒng)級標(biāo)定方法研究[D].北京：中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，2007.ZHANG-Liang.Research on the systematic calibration method for laser gyro SINS[D].Beijing:China Academy of Launch Vehicle Technology,2007.

New fast systematic calibration method for RLG-SINS

JIA Ji-chao1,2,QIN Yong-yuan1,ZHANG Bo2,WU Xun-zhong3
(1.Department of Automatic Control,Northwestern Polytechnical University,Xi’ an 710072,China;2.16th Institute,China Aerospace &Technology Corp.,Xi’an 710100,China;3.College of Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

In view that RLG’s scale factor is stable,and its drift error has little change,a simplified error parameter model of gyro and accelerometer components is presented.The error model suitable for RLG-SINS fast outfield self-calibration is derived,and a nine-position systematic calibration method for RLG-SINS is designed.The experiments results show that the new method can rapidly calibrate the overall fifteen error parameters of RLG-SINS with high accuracy.In addition,this method is simple and feasible.

RLG-SINS;parameter stability;systematic calibration;error parameter identification

U666.1

：A

1005-6734(2014)01-0023-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.01.006

2012-6-21；

：2013-10-24

武器裝備預(yù)研項(xiàng)目（51309040501）

賈繼超（1977—），男，博士后，從事慣性導(dǎo)航技術(shù)研究。E-mail：jjcnwpu@sohu.com

聯(lián) 系 人：秦永元（1946—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：qinyongyuan@nwpu.edu.cn