張昀申

1 引言

INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)充分發(fā)揮慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System ，INS）與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）的各自優(yōu)勢(shì)，采用INS輔助GNSS接收機(jī)信號(hào)捕獲、跟蹤的深組合模式，能提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度，拓展導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。同時(shí)，INS的器件的陀螺儀漂移、加速度計(jì)零偏以及標(biāo)度因數(shù)誤差會(huì)增加輔助跟蹤環(huán)路誤差，文獻(xiàn)［1］對(duì)INS輔助信息誤差引起的跟蹤環(huán)路誤差做了分析。文獻(xiàn)［2］中美國(guó)海軍采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)IMU系統(tǒng)所有誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，文獻(xiàn)［3］的旋轉(zhuǎn)方法對(duì)標(biāo)度因數(shù)誤差和安裝誤差帶來(lái)的載體角運(yùn)動(dòng)相關(guān)誤差項(xiàng)的補(bǔ)償作用有限。文獻(xiàn)［4］的方法可以抵消標(biāo)度因數(shù)誤差。

本文采用基于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法補(bǔ)償INS器件的標(biāo)度因數(shù)誤差，從而有效減少標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤環(huán)路誤差的影響。

2 IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差

IMU輔助載波跟蹤環(huán)路誤差包括IMU零偏類誤差、標(biāo)度因數(shù)類誤差和多普勒輔助延遲。圖1是輔助載波跟蹤環(huán)的原理框圖［1］。

在忽略熱噪聲和晶振影響的前提下，假設(shè)前饋支路只具有標(biāo)度因數(shù)類誤差Ka(s)，IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差的傳遞模型如圖2所示［5］。

IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差引起的跟蹤誤差δθ(s) 為［6］

圖1 INS輔助載波跟蹤環(huán)路原理框圖

圖2 IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差的傳遞模型

θi(s)是輸入信號(hào)，θo(s)是輸出信號(hào)，Kd是鑒別器增益，Ko是數(shù)控振蕩器控制增益，在標(biāo)度因數(shù)類誤差的傳遞模型中引入二階跟蹤環(huán)的濾波器傳遞函數(shù)，得到由IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差產(chǎn)生的二階跟蹤環(huán)誤差模型是

ξ為阻尼系數(shù)，ωn是自然角頻率。因?yàn)轭l率斜升信號(hào)對(duì)二階環(huán)路影響比較大，所以在對(duì)IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差進(jìn)行分析時(shí)，將頻率斜升的輸入信號(hào)作為主要對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，即θi(s)=Δ?/s3，將激勵(lì)信號(hào)帶入式（2），則有［7］

將式（3）進(jìn)行拉普拉斯反變換，得出環(huán)路誤差與IMU標(biāo)度因數(shù)類誤差的時(shí)域模型。為簡(jiǎn)化模型，ξ=1。

已有文獻(xiàn)［1］研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)誤差越小，其引起的輔助跟蹤環(huán)路誤差越小，其中的標(biāo)度因數(shù)誤差Ka為隨機(jī)常數(shù)。接下來(lái)，本文將利用基于慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制來(lái)減少標(biāo)度因數(shù)誤差，從而減少由其引起的輔助跟蹤環(huán)路誤差。

3 基于慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制

組合導(dǎo)航系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)調(diào)制型IMU的誤差模型可以用下式表示［8，9］：

式中：Cns表示從s坐標(biāo)系到n坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，f、δf表示比力和加速度計(jì)測(cè)量誤差，n表示導(dǎo)航坐標(biāo)系，e表示地球坐標(biāo)系，b表示載體坐標(biāo)系，s表示IMU坐標(biāo)系，i表示地心慣性系，Φ為失準(zhǔn)角；ω、δω分別表示角速度和陀螺儀測(cè)量角速度誤差；δg表示重力偏差；V、δV分別表示速度和速度誤差。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計(jì)的輸出誤差模型為［12］

式中：ωsis為陀螺敏感軸輸入角速度，Δg為陀螺儀的安裝誤差、δKg為標(biāo)度因數(shù)誤差、εs為常值漂移；fs為加速度計(jì)敏感軸輸入信息，Δa為加速度計(jì)安裝誤差，δKa為標(biāo)度因數(shù)誤差、?s為零偏。

對(duì)于δfn在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)進(jìn)行積分，得到：

式中定義逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，T為一個(gè)旋轉(zhuǎn)調(diào)制周期，Cns為常值矩陣。加速度計(jì)累計(jì)輸出誤差由兩部分組成，第一項(xiàng)為常值漂移誤差，第二項(xiàng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速與δKa和Δa的耦合誤差，當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)加速度變化時(shí)，加速度變化信息與誤差一起通過(guò)加速度計(jì)輸出，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，采用多次旋轉(zhuǎn)可以使式（9）中兩項(xiàng)誤差Cns的累加積分值為零，因此加速度計(jì)輸出誤差能通過(guò)旋轉(zhuǎn)消除。

加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)輔助跟蹤環(huán)路誤差的累計(jì)影響可以用下式描述：

式中δKai（i=x，y，z）表示三軸加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)誤差。

為抵消標(biāo)度因數(shù)誤差影響，要保證δKaxficosα ，δKayficosβ ，δKazficosγ在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中完全相同，只有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)過(guò)程成對(duì)出現(xiàn)時(shí)，才能滿足 ficos X（X=α，β，γ）的每?jī)山M結(jié)果互為相反數(shù)，從而減少標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)輔助跟蹤環(huán)路誤差的影響。

（7）（8）兩式形式類似，能夠抵消加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)誤差的旋轉(zhuǎn)方案也能抵消陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差。

4 仿真驗(yàn)證

選用同一中等精度慣導(dǎo)，其標(biāo)度因數(shù)典型值為300ppm，環(huán)路帶寬10Hz，地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系重合，所在位置為32.03°N，118.46°E。

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)方式按照IMU初始時(shí)刻繞慣性坐標(biāo)系Z軸正向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程，必須與其繞Y軸旋轉(zhuǎn)180°后，再繞Z軸反向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程成對(duì)出現(xiàn)，同理可知，繞其他軸的正反向旋轉(zhuǎn)過(guò)程也需成對(duì)出現(xiàn)，才能達(dá)到滿足 ficos X（X=α，β，γ）的每?jī)山M結(jié)果互為相反數(shù)的要求，從而減少標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)輔助跟蹤環(huán)路誤差的影響。

在二十四小時(shí)內(nèi)采樣，分別繪制無(wú)慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制和有慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制兩種情況的輔助跟蹤環(huán)路誤差曲線，如下圖所示。

圖3 無(wú)慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制跟蹤環(huán)路誤差

圖4 慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制后跟蹤環(huán)路誤差

在仿真初始階段，輔助跟蹤環(huán)路誤差隨時(shí)間向上增長(zhǎng)，之后誤差隨時(shí)間推移逐漸趨于穩(wěn)定，由于采用了基于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法，抵消了加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)誤差，有效抑制了標(biāo)度因數(shù)誤差引起的輔助跟蹤環(huán)路誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)IMU輔助跟蹤環(huán)路誤差中標(biāo)度因數(shù)類誤差進(jìn)行分析，采用基于慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法，將標(biāo)度因數(shù)誤差抵消，從而降低了由標(biāo)度因數(shù)誤差引起的輔助跟蹤環(huán)路誤差的影響。為進(jìn)一步改善整個(gè)INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能提供了參考，為深入研究深組合技術(shù)提供了支撐，是在不更換現(xiàn)有元件的情況下提高系統(tǒng)精度的一種有效方法。

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