專利名稱：一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測量方法，尤其涉及的是一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：
捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)是將陀螺儀、加速度計等慣性元件固連在載體上，根據(jù)牛頓力學(xué)定律，通過對這些慣性元件采集的信息進行處理，得到載體的姿態(tài)、速度、位置、加速度、角速度和角加速度等全導(dǎo)航信息的完全自主導(dǎo)航設(shè)備。由于SINS完全依靠自身的慣性元件，不依靠任何外界信息測量導(dǎo)航參數(shù)，因此，它具有隱蔽性好，不受氣候條件限制，不受干擾等優(yōu)點，是一種完全自主式、全天候的導(dǎo)航系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。根據(jù)SINS的基本原理，SINS在導(dǎo)航過程中慣性器件常值偏差的存在是導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航精度難以提高的主要因素。如何有效限制慣性導(dǎo)航誤差發(fā)散、提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域一項非常重要的課題。
慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差抑制，不是依賴于外部輔助對誤差狀態(tài)進行估計，而是研究慣性導(dǎo)航誤差在特定運動條件下的傳播規(guī)律，并依據(jù)此規(guī)律限制誤差發(fā)散，提高導(dǎo)航精度的方法。轉(zhuǎn)動抑制是最典型的誤差抑制方法通過繞一個軸或多個軸轉(zhuǎn)動慣性測量單元(IMU)，對導(dǎo)航誤差進行調(diào)制，達到控制導(dǎo)航誤差發(fā)散、提高導(dǎo)航精度的目的。
標(biāo)定技術(shù)就是一種從軟件方面來提高慣導(dǎo)實際使用精度的方法。標(biāo)定技術(shù)本質(zhì)上也是一種誤差補償技術(shù)。所謂誤差補償技術(shù)就是建立慣性元件和慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差數(shù)學(xué)模型，通過一定的試驗來確定模型系數(shù)，進而通過軟件算法來消除誤差。慣性元件和慣導(dǎo)系統(tǒng)在出廠之前，必須通過標(biāo)定來確定基本的誤差數(shù)學(xué)模型參數(shù)，以保證元件和系統(tǒng)的正常工作。而且慣性元件高階誤差項的研究、慣導(dǎo)系統(tǒng)惡劣動態(tài)環(huán)境下的誤差補償都是在標(biāo)定的基礎(chǔ)上進行的，可以說標(biāo)定工作是整個誤差補償技術(shù)的基礎(chǔ)。慣性測量單元逐次開機誤差(慣性元件的漂移與刻度因數(shù)誤差)是不同的，且隨著時間增加IMU輸出誤差隨時間發(fā)生漂移，實現(xiàn)現(xiàn)場在線標(biāo)定對于提高系統(tǒng)精度具有重大意義。
在CNKI庫中與本發(fā)明相關(guān)的公開報道有1、《水平初始對準(zhǔn)誤差對旋轉(zhuǎn)IMU導(dǎo)航系統(tǒng)的精度影響》，該文章主要講述了水平不對準(zhǔn)對旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的影響，其中文中講述了IMU單軸單向旋轉(zhuǎn)，但是并沒有提及現(xiàn)場標(biāo)定的內(nèi)容。2、《旋轉(zhuǎn)IMU在光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)中的應(yīng)用》，該文章主要介紹了單軸、雙軸旋轉(zhuǎn)方式，并在理論上給予證明。3、《光纖陀螺IMU的六位置旋轉(zhuǎn)現(xiàn)場標(biāo)定新方法》，該文章主要介紹了在使用現(xiàn)場將光纖陀螺IMU在六個位置上進行十二次旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)光纖陀螺IMU的誤差模型建立42個非線性輸入輸出方程，通過旋轉(zhuǎn)積分和對稱位置誤差相消，消除方程中的非線性項，最終求解出陀螺標(biāo)度因數(shù)、陀螺常值漂移、陀螺安裝誤差和加速度計常值偏置等15個誤差系數(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種當(dāng)載體處于系泊狀態(tài)下，可以獲得較高現(xiàn)場標(biāo)定精度的一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法. 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括以下步驟 (1)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計算機中； (2)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行預(yù)熱后采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數(shù)據(jù)； (3)IMU采用8個轉(zhuǎn)停次序為一個旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案； (4)利用譜條件數(shù)法求取IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中慣性器件偏差的可觀測度； (5)設(shè)計無限沖擊響應(yīng)數(shù)字高通濾波器，將導(dǎo)航系下解算出的載體水平速度進行高通濾波處理，濾除導(dǎo)航系下載體速度中的舒勒周期，保留載體由于搖擺和蕩運動產(chǎn)生的速度偏差； (6)根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座誤差方程建立載體系泊狀態(tài)時的估漂模型，以高通濾波后得到的速度直接作為觀測量，利用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定。
本發(fā)明還可以包括 1、所述IMU采用8個轉(zhuǎn)停次序為一個旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案為 次序1，IMU從A點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序2，IMU從C點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置D，停止時間Tt；次序3，IMU從D點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置B，停止時間Tt；次序4，IMU從B點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；次序5，IMU從A點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序6，IMU從C點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置B，停止時間Tt；次序7，IMU從B點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置D，停止時間Tt；次序8，IMU從D點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；IMU按照此轉(zhuǎn)動順序循環(huán)進行；水平東向軸上的IMU停頓點p3、p8與p4、p7對稱于轉(zhuǎn)軸中心；北向軸上的停頓點p1、p5與p2、p6對稱于轉(zhuǎn)軸中心；四位置轉(zhuǎn)停方案仍然是轉(zhuǎn)動角度為180°或90°間隔進行。
2、所述利用譜條件數(shù)法求取IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中慣性器件偏差的可觀測度的方法為 求解線性方程組 AX＝b，b∈Cn 設(shè)A∈Cn×n，||·||是一種算子范數(shù)， 稱cond(A)為矩陣A的關(guān)于算子范數(shù)||·||的條件數(shù)，常用的是關(guān)于p-范數(shù)||·||p的條件數(shù)，記作condp(A)，cond2(A)為譜條件數(shù)， 針對離散時變系統(tǒng) 將系統(tǒng)狀態(tài)方程帶入觀測方程得到一組方程 記 則 OkX0＝Z 對于定常系統(tǒng)Fk為常數(shù)，Ok就是可觀性矩陣，時變系統(tǒng)在采樣點上進行觀測得到離散時變系統(tǒng)，F(xiàn)k就是采樣周期內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(tk+T，tk)， Ok＝[HHΦ(t1，t0)…HΦ(tk，t0)]T 狀態(tài)是n維的，一次觀測量Zk是r維的(r＜n)，觀測陣H的秩為r，至少進行k次觀測(kr≥n)，求出X0，根據(jù)最小二乘法求解狀態(tài)X0，

為觀測陣，由于

是正規(guī)矩陣，通過計算譜條件數(shù)cond2(M)，來分析解的穩(wěn)定性，而 式中，λ為矩陣M的特征值，進一步分析矩陣M的特征值和特征向量，以便確定究竟哪些狀態(tài)的可觀測度較好，哪些狀態(tài)的可觀測度差，將M可酉對角化，記UTMU＝Λ，其中Λ＝diag(λ1，λ2，...λn)，則狀態(tài)X的可觀測度S S＝abs(U[λ1，λ2，...，λn]T) 計算出系統(tǒng)可觀測性矩陣M的特征值和特征向量，確定出各個狀態(tài)的可觀測度。
3、所述利用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定的方法為 1)建立卡爾曼濾波的狀態(tài)方程 用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差 其中X(t)為t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；A(t)和B(t)分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣；W(t)為系統(tǒng)噪聲向量； 系統(tǒng)的狀態(tài)向量為
系統(tǒng)的白噪聲向量為 W＝[ax ay ωx ωy ωz 0 0 0 0 0 0 0 0]T 其中δVe、δVn分別表示東向、北向的速度誤差；

分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計零偏；εx、εy、εz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的常值漂移；ax、ay分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計的白噪聲誤差；δKgx、δKgy、δKgz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差；ωx、ωy、ωz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的白噪聲誤差； 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為 VE、VN分別表示東向、北向的速度；ωx、ωy、ωz分別表示陀螺的三個輸入角速度；ωie表示地球自轉(zhuǎn)角速度；Rm、Rn分別表示地球子午、卯酉曲率半徑；L表示當(dāng)?shù)鼐暥龋籪E、fN、fU分別表示為導(dǎo)航坐標(biāo)系下東向、北向、天向的比力； 2)建立卡爾曼濾波的量測方程 用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的量測方程如下 Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) 其中Z(t)表示t時刻系統(tǒng)的量測向量；H(t)表示系統(tǒng)的量測矩陣；V(t)表示系統(tǒng)的量測噪聲； 系統(tǒng)量測矩陣為 量測量為高通濾波后得到的速度 本發(fā)明將慣性測量單元相對載體方位軸固定的四個位置轉(zhuǎn)停，利用IMU的轉(zhuǎn)停運動提高系統(tǒng)參數(shù)的可觀測度，設(shè)計卡爾曼濾波器引入高精度外部信息源分別激勵I(lǐng)MU的各個標(biāo)定誤差項，估計并補償IMU輸出誤差，完成系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明打破了傳統(tǒng)標(biāo)定方法不適用于系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定，提出一種利用IMU轉(zhuǎn)停提高系統(tǒng)參數(shù)可觀測度并采用卡爾曼濾波技術(shù)對慣性器件偏差進行在線標(biāo)定的方案，該方法可以將慣性器件常值偏差和陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差進行現(xiàn)場估計并補償，可以有效地提高系統(tǒng)對準(zhǔn)及導(dǎo)航精度。
對本發(fā)明有益的效果說明如下 在Visual C++仿真條件下，對該方法進行仿真實驗 設(shè)定陀螺儀常值漂移為0.01°/h，加速度計零位偏差為10-4g；系統(tǒng)初始對準(zhǔn)誤差為0.1°、0.1°、0.5°；載體以正弦規(guī)律繞縱搖軸、橫搖軸和航向軸作三軸搖擺運動，其數(shù)學(xué)模型為 其中θ、γ、ψ分別表示縱搖角、橫搖角和航向角的搖擺角度變量；θm、γm、ψm分別表示相應(yīng)的搖擺角度幅值；ωθ、ωγ、ωψ分別表示相應(yīng)的搖擺角頻率；φθ、φγ、φψ分別表示相應(yīng)的初始相位；ωi＝2τ/Ti，i＝θ、γ、ψ，Ti表示相應(yīng)的搖擺周期，k為初始航向角。仿真時取θm＝6°，γm＝12°，ψm＝10°，Tθ＝8s，Tγ＝10s，Tψ＝6s，k＝0°。
載體的橫蕩、縱蕩和垂蕩引起的加速度為
式中，i＝x，y，z為地理坐標(biāo)系的東向、北向、天向。







為
上服從均勻分布的隨機相位。
載體初始位置北緯45.7796°，東經(jīng)126.6705°； 初始姿態(tài)誤差角三個初始姿態(tài)誤差角均為零； 赤道半徑Re＝6378393.0m； 橢球度e＝3.367e-3； 由萬有引力可得的地球表面重力加速度g0＝9.78049； 地球自轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒)7.2921158e-5； 陀螺儀常值漂移0.01度/小時； 陀螺儀隨機游走0.001度/
陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差1000ppm； 加速度計零偏10-4g0； 加速度計噪聲10-6g0； 常數(shù)π＝3.1415926； IMU四位置轉(zhuǎn)停方案的數(shù)學(xué)模型參數(shù) 四個位置的停頓時間Tt＝5min； 轉(zhuǎn)動180°和90°時消耗的時間Tz＝12s； 轉(zhuǎn)動180°和90°的過程中，每一個轉(zhuǎn)位中的加減速時間各為4s。



圖1為本發(fā)明的一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法流程圖； 圖2為本發(fā)明的IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中，IMU坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系； 圖3為本發(fā)明的估計的陀螺儀常值漂移； 圖4為本發(fā)明的估計的水平方向上的加速度計零偏； 圖5為本發(fā)明的估計的陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 (1)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計算機中； (2)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行預(yù)熱后采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數(shù)據(jù)； (3)IMU采用8個轉(zhuǎn)停次序為一個旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案； 次序1，IMU從A點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序2，IMU從C點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置D，停止時間Tt；次序3，IMU從D點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置B，停止時間Tt；次序4，IMU從B點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；次序5，IMU從A點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序6，IMU從C點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置B，停止時間Tt；次序7，IMU從B點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置D，停止時間Tt；次序8，IMU從D點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；IMU按照此轉(zhuǎn)動順序循環(huán)進行。為了有效地對水平方向上的慣性器件偏差在對稱位置上進行正負平均，定義水平東向軸上的IMU停頓點p3、p8與p4、p7對稱于轉(zhuǎn)軸中心；北向軸上的停頓點p1、p5與p2、p6對稱于轉(zhuǎn)軸中心。改進的四位置轉(zhuǎn)停方案仍然是轉(zhuǎn)動角度為180°或90°間隔進行。
(4)利用譜條件數(shù)法求取IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中慣性器件偏差的可觀測度； 考慮求解線性方程組 AX＝b，b∈Cn(1) 設(shè)A∈Cn×n，||·||是一種算子范數(shù)， 稱cond(A)為矩陣A(關(guān)于求逆或求解線性方程組)的關(guān)于算子范數(shù)||·||的條件數(shù)。常用的是關(guān)于p-范數(shù)||·||p的條件數(shù)，可記作condp(A)。特別，稱cond2(A)為譜條件數(shù)。
針對離散時變系統(tǒng) 能否由一組觀測值Z＝[Z0，Z1，....Zk]T求出初始狀態(tài)X0是系統(tǒng)可觀的實質(zhì)。將系統(tǒng)狀態(tài)方程帶入觀測方程得到一組方程 記 則有 OkX0＝Z(6) 對于定常系統(tǒng)Fk為常數(shù)，Ok就是可觀性矩陣。時變系統(tǒng)在采樣點上進行觀測得到離散時變系統(tǒng)，F(xiàn)k就是采樣周期內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(tk+T，tk)，因此有 Ok＝[H HΦ(t1，t0)…HΦ(tk，t0)]T(7) 設(shè)狀態(tài)是n維的，一次觀測量Zk是r維的(r＜n)，觀測陣H的秩為r，至少進行k次觀測(kr≥n)，才可以求出X0。根據(jù)最小二乘法求解狀態(tài)X0。
記

為觀測陣。由于

是正規(guī)矩陣，則可以通過計算譜條件數(shù)cond2(M)，來分析解的穩(wěn)定性，而 式中，λ為矩陣M的特征值。進一步分析矩陣M的特征值和特征向量，以便確定究竟哪些狀態(tài)的可觀測度較好，哪些狀態(tài)的可觀測度差。將M可酉對角化，記UTMU＝Λ，其中Λ＝diag(λ1，λ2，...λn)，則狀態(tài)X的可觀測度S S＝abs(U[λ1，λ2，...，λn]T)(10) 計算出系統(tǒng)可觀測性矩陣M的特征值和特征向量，就可以確定出各個狀態(tài)的可觀測度。
(5)設(shè)計無限沖擊響應(yīng)數(shù)字高通濾波器(IIR)，將導(dǎo)航系下解算出的載體水平速度進行高通濾波處理，濾除導(dǎo)航系下載體速度中的舒勒周期，保留載體由于搖擺和蕩運動產(chǎn)生的速度偏差； (6)根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座誤差方程建立載體系泊狀態(tài)時的估漂模型，以高通濾波后得到的速度直接作為觀測量。利用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定； 建立以經(jīng)過高通濾波后的導(dǎo)航系下的水平速度為觀測量的卡爾曼濾波模型； 1)建立卡爾曼濾波的狀態(tài)方程 用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差 其中X(t)為t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；A(t)和B(t)分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣；W(t)為系統(tǒng)噪聲向量； 系統(tǒng)的狀態(tài)向量為
系統(tǒng)的白噪聲向量為 W＝[ax ay ωx ωy ωz 0 0 0 0 0 0 0 0]T(13) 其中δVe、δVn分別表示東向、北向的速度誤差；

分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計零偏；εx、εy、εz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的常值漂移；ax、ay分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計的白噪聲誤差；δKgx、δKgy、δKgz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差；ωx、ωy、ωz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的白噪聲誤差； 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為 VE、VN分別表示東向、北向的速度；ωx、ωy、ωz分別表示陀螺的三個輸入角速度；ωie表示地球自轉(zhuǎn)角速度；Rm、Rn分別表示地球子午、卯酉曲率半徑；L表示當(dāng)?shù)鼐暥?；fE、fN、fU分別表示為導(dǎo)航坐標(biāo)系下東向、北向、天向的比力。
2)建立卡爾曼濾波的量測方程 用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的量測方程如下 Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)(21) 其中Z(t)表示t時刻系統(tǒng)的量測向量；H(t)表示系統(tǒng)的量測矩陣；V(t)表示系統(tǒng)的量測噪聲； 系統(tǒng)量測矩陣為 量測量為高通濾波后得到的速度
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟
(1)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計算機中；
(2)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行預(yù)熱后采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數(shù)據(jù)；
(3)IMU采用8個轉(zhuǎn)停次序為一個旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案；
(4)利用譜條件數(shù)法求取IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中慣性器件偏差的可觀測度；
(5)設(shè)計無限沖擊響應(yīng)數(shù)字高通濾波器，將導(dǎo)航系下解算出的載體水平速度進行高通濾波處理，濾除導(dǎo)航系下載體速度中的舒勒周期，保留載體由于搖擺和蕩運動產(chǎn)生的速度偏差；
(6)根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座誤差方程建立載體系泊狀態(tài)時的估漂模型，以高通濾波后得到的速度直接作為觀測量，利用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法，其特征在于所述IMU采用8個轉(zhuǎn)停次序為一個旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案為
次序1，IMU從A點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序2，IMU從C點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置D，停止時間Tt；次序3，IMU從D點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置B，停止時間Tt；次序4，IMU從B點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；次序5，IMU從A點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動180°到達位置C，停止時間Tt；次序6，IMU從C點出發(fā)逆時針轉(zhuǎn)動90°到達位置B，停止時間Tt；次序7，IMU從B點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動180°到達位置D，停止時間Tt；次序8，IMU從D點出發(fā)順時針轉(zhuǎn)動90°到達位置A，停止時間Tt；IMU按照此轉(zhuǎn)動順序循環(huán)進行；水平東向軸上的IMU停頓點p3、p8與p4、p7對稱于轉(zhuǎn)軸中心；北向軸上的停頓點p1、p5與p2、p6對稱于轉(zhuǎn)軸中心；四位置轉(zhuǎn)停方案仍然是轉(zhuǎn)動角度為180°或90°間隔進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法，其特征在于所述利用譜條件數(shù)法求取IMU四位置轉(zhuǎn)停過程中慣性器件偏差的可觀測度的方法為
求解線性方程組
AX＝b，b∈Cn
設(shè)A∈Cn×n，||·||是一種算子范數(shù)，
稱cond(A)為矩陣A的關(guān)于算子范數(shù)||·||的條件數(shù)，常用的是關(guān)于p-范數(shù)||·||p的條件數(shù)，記作condp(A)，cond2(A)為譜條件數(shù)，
針對離散時變系統(tǒng)
將系統(tǒng)狀態(tài)方程帶入觀測方程得到一組方程
記
則
OkX0＝Z
對于定常系統(tǒng)Fk為常數(shù)，Ok就是可觀性矩陣，時變系統(tǒng)在采樣點上進行觀測得到離散時變系統(tǒng)，F(xiàn)k就是采樣周期內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(tk+T，tk)，
Ok＝[H HΦ(t1，t0)…HΦ(tk，t0)]T
狀態(tài)是n維的，一次觀測量Zk是r維的(r＜n)，觀測陣H的秩為r，至少進行k次觀測(kr≥n)，求出X0，根據(jù)最小二乘法求解狀態(tài)X0，
為觀測陣，由于
是正規(guī)矩陣，通過計算譜條件數(shù)cond2(M)，來分析解的穩(wěn)定性，而
式中，λ為矩陣M的特征值，進一步分析矩陣M的特征值和特征向量，以便確定究竟哪些狀態(tài)的可觀測度較好，哪些狀態(tài)的可觀測度差，將M可酉對角化，記UTMU＝Λ，其中Λ＝diag(λ1，λ2，...λn)，則狀態(tài)X的可觀測度S
S＝abs(U[λ1，λ2，...，λn]T)
計算出系統(tǒng)可觀測性矩陣M的特征值和特征向量，確定出各個狀態(tài)的可觀測度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法，其特征在于所述利用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定的方法為
1)建立卡爾曼濾波的狀態(tài)方程
用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差
其中X(t)為t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；A(t)和B(t)分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣；W(t)為系統(tǒng)噪聲向量；
系統(tǒng)的狀態(tài)向量為
系統(tǒng)的白噪聲向量為
W＝[ax ay ωx ωy ωz 0 0 0 0 0 0 0 0]T
其中δVe、δVn分別表示東向、北向的速度誤差；
分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計零偏；εx、εy、εz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的常值漂移；ax、ay分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計的白噪聲誤差；δKgx、δKgy、δKgz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差；ωx、ωy、ωz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的白噪聲誤差；
系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
VE、VN分別表示東向、北向的速度；ωx、ωy、ωz分別表示陀螺的三個輸入角速度；ωie表示地球自轉(zhuǎn)角速度；Rm、Rn分別表示地球子午、卯酉曲率半徑；L表示當(dāng)?shù)鼐暥龋籪E、fN、fU分別表示為導(dǎo)航坐標(biāo)系下東向、北向、天向的比力；
2)建立卡爾曼濾波的量測方程
用一階線性微分方程來描述旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的量測方程如下
Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)
其中Z(t)表示t時刻系統(tǒng)的量測向量；H(t)表示系統(tǒng)的量測矩陣；V(t)表示系統(tǒng)的量測噪聲；
系統(tǒng)量測矩陣為
量測量為高通濾波后得到的速度
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于數(shù)字高通濾波的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定方法。(1)通過GPS確定載體的初始位置參數(shù)；(2)采集光纖陀螺儀輸出和加速度計輸出的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理；(3)慣性測量單元單軸四位置轉(zhuǎn)停；(4)利用譜條件數(shù)法分析慣性器件偏差的可觀測度；(5)采用IIR高通數(shù)字濾波器濾除導(dǎo)航系下的速度信息中包含的舒勒周期；(6)以濾波后的速度信息作為觀測量，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計慣性器件的偏差。當(dāng)載體處于系泊狀態(tài)下，采用本發(fā)明可以獲得較高現(xiàn)場標(biāo)定精度。
文檔編號G01C25/00GK101706287SQ20091007324
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者孫楓, 孫偉, 袁俊佳, 薛媛媛, 王武劍, 李國強 申請人:哈爾濱工程大學(xué)