尹偉偉 李方能

（1.中國人民解放軍902廠 上海 200030）（2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

單軸旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)加速度計零偏誤差靜基座標定濾波算法?

尹偉偉1李方能2

（1.中國人民解放軍902廠 上海 200030）（2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

旋轉(zhuǎn)調(diào)制工作模式下，加速度計零偏誤差導致慣導系統(tǒng)姿態(tài)誤差呈周期性變化，影響船用慣導系統(tǒng)姿態(tài)精度。為原位標定加速度計零偏誤差，根據(jù)姿態(tài)角誤差法推導了濾波方程，在駐排條件下可以準確估計加速度計零偏，明顯降低姿態(tài)誤差。實測數(shù)據(jù)表明，濾波算法駐排條件下姿態(tài)精度為0.15角分。

單軸旋轉(zhuǎn)；標定；加速度計零偏；原位

1 引言

與其他應用領(lǐng)域的慣導系統(tǒng)相比，船用慣導系統(tǒng)的特點是連續(xù)工作時間長，導航精度要求高。為了滿足艦船導航高精度長航時的自主性和隱蔽性的需求，提高慣導系統(tǒng)長航時精度成為國內(nèi)外研究熱點。國外一方面研制新型慣性元件提高現(xiàn)有慣性器件精度，另一方面于20世紀60年代開辟了另一條技術(shù)途徑，基于現(xiàn)有陀螺的精度，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)使慣導系統(tǒng)獲得較高的精度［3］。20世紀90年代，Sperry公司先后研制出MK39型和AN∕WSN-7船用旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導系統(tǒng)，成為美國水面艦艇和各級攻擊潛艇的標準設(shè)備。由于旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)研究較晚，國內(nèi)還沒有旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導系統(tǒng)的船用報道。旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)誤差標校相關(guān)研究成果主要集中于原理的分析和仿真［4～10］。

單軸旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)繞方位軸旋轉(zhuǎn)，加速度計零偏誤差隨旋轉(zhuǎn)投影到導航系，導致姿態(tài)誤差呈周期性變化。高精度誤差標校通常需要進船塢，在駐排狀態(tài)下實施或?qū)T導拆卸使用轉(zhuǎn)臺等測試設(shè)備標校，標校過程復雜且耗時，對標校環(huán)境和操作人員素質(zhì)的要求都比較高。論文提出一種加速度計零偏誤差原位標定濾波算法，可以在駐排條件下準確標定標定加速度計零偏誤差，有效降低旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)姿態(tài)誤差，滿足船用慣導系統(tǒng)現(xiàn)場標定的需求。

2 標定濾波算法

選取東-北-天（ENU）地理坐標系為導航坐標系n，定義慣導系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)坐標系為p系，轉(zhuǎn)動零位置的p系為 p0系，p系相對 p0系的旋轉(zhuǎn)角為α(t)。慣導系統(tǒng)體坐標為b系，b系相對真北方向的當前方位角為φ。γ、θ為船體橫搖角和縱搖角。

Ψ角誤差模型的速度誤差方程為［3］

忽略地球自轉(zhuǎn)角速度、導航系轉(zhuǎn)動角速度以及重力矢量測量值差異。在駐排狀態(tài)下，船體速度為零。在系泊狀態(tài)下，船體速度很小，忽略兩套系統(tǒng)速度測量值差異。則式可以簡化為

圖1 旋轉(zhuǎn)方位角、方位角與平臺轉(zhuǎn)動角間的關(guān)系

3 實驗驗證

如圖2所示，在駐排狀態(tài)慣導系統(tǒng)監(jiān)控儀顯示姿態(tài)角原始誤差（峰峰值）為12角分。根據(jù)論文提出的濾波算法編寫標定軟件，可以得到加速度計x軸和y軸零位估計曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖2 駐排狀態(tài)姿態(tài)實測曲線

圖3 加速度計x軸零位曲線

圖4 加速度計y軸零位曲線

加速度計軟件標定結(jié)果：-7.9907e-5，-2.1964e-4。加速度計零偏誤差標校后，姿態(tài)誤差由12角分提高至0.15角分（峰峰值）。

4 結(jié)語

1）論文提出的濾波算法能夠?qū)崿F(xiàn)原位標校，實測數(shù)據(jù)表明滿足現(xiàn)場標校的需要。

2）濾波算法在駐排狀態(tài)可以準確估計加速度計零偏誤差，有效降低姿態(tài)誤差。

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Accelerometer Bias Error Calibration Filter Algorithm for INS with Single Axis Rotation

YIN Weiwei1LI Fangneng2
（1.Chinese PLA 902 Factory，Shanghai 200030）
（2.College of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Due to the azimuth rotation，the attitude error is modulated into a sine or cosine signal.The platform tilt-angle is caused by the accelerometer bias residual error in levelling loop.The roll and pitch are typical sine or cosine signal in static status.In order to calibrate accelerometer bias error in situ，the project utilizes attitude error，and proposes accelerometer bias error calibration algorithm of inertial navigation system.The effectiveness of proposed algorithm is verified and evaluated understatic conditions.The experimental results shows attitude error can be reduced to 0.15 arc-min.

single axis rotation，calibration，accelerometer bias error，in situ

U666.1

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.010

Class Number U666.1

2017年4月4日，

2017年5月25日

國家自然科學基金（編號：41274013）資助。

尹偉偉，男，碩士，高級工程師，研究方向：導航技術(shù)。李方能，男，博士，副教授，研究方向：導航技術(shù)。