慣性導航劃槳算法
【專利摘要】一種用于確定慣性導航系統(tǒng)中的組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)南到y(tǒng)包括：陀螺儀，其被配置為提供具有來自三個正交軸的分量的測量的旋轉(zhuǎn)角速率；加速度計，其被配置為提供具有來自三個正交軸的分量的測量的比力；以及處理器，其被配置為按單一的計算頻率計算第一組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償，該處理器被配置為：計算在第一個時間間隔內(nèi)的瞬時旋轉(zhuǎn)角速率與測量的比力變化的第一矢量積；以及將第一矢量積和第二矢量積相加，其中第二矢量積是在第二個時間間隔內(nèi)的比力的變化的一部分和第一個時間間隔內(nèi)測量的角速率的變化的矢量積；其中第一個時間間隔和第二個時間間隔每個是單一的計算頻率的一個周期。
【專利說明】慣性導航劃槳算法
[0001]背景
[0002]當參考點不確定時,確定交通工具的位置和對地速度是困難的。然而，目前的導航系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)的幫助來確定參考點。某些情況下，GPS是不可用的和/或速度太慢，并且導航系統(tǒng)是獨立的。這些系統(tǒng)常常利用一組陀螺儀來測量角速度和線性加速度。這些最初通過電動常平架系統(tǒng)，使用導航系作為基于該系統(tǒng)所位于的交通工具的設置參考系來實現(xiàn)。這些系統(tǒng)包括許多昂貴的機械部件以保證適當?shù)倪\動，并且還包括每個常平架上的傳感器(例如，加速度計和陀螺儀)，其用于測量姿態(tài)變化，即:用滾動角、俯仰角和偏航角參數(shù)表示的交通工具的方位變化。由于運動部件，常平架系統(tǒng)容易受到一些誘發(fā)誤差的因素的影響，例如常平架鎖定，當兩個常平架并行且一致地轉(zhuǎn)動時，易發(fā)生常平架鎖定。此外，常平架的軸承和翼能夠隨著時間而阻延和/或磨損。甚至更多的，軸承并不是無摩擦的，這樣也會在測量時引起誤差。當系統(tǒng)經(jīng)歷誤差時，在被證實能夠重新使用前，它可從交通工具中被移除并且在非常特定的條件下被再校準。因此，這類系統(tǒng)僅僅有助于非常特定的市場的消費者。
[0003]捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)(SINS)具有直接固聯(lián)在系統(tǒng)底盤上的組件。底盤也被固定到其所位于的交通工具上。因此，系統(tǒng)中沒有部件是移動的。這減輕了由摩擦和/或故障組件
引起的誤差，其也需要少量的校準。三個傳感器測量線性加速度(^4)，三個傳感器測量旋
轉(zhuǎn)角速率(ω^)。速度更新頻率(例如，m)是用于對由加速度計和陀螺儀捕獲的原始測量結(jié)
果執(zhí)行計算的時間間隔，并且在特定的時間階段內(nèi)逐漸地更新系統(tǒng)參數(shù)(例如，姿態(tài)、速度、位置等)。例如，更新率可以是一個系統(tǒng)的計算機時鐘周期。由于計算的高計算量負擔，原始測量結(jié)果在時間間隔t內(nèi)被快速捕獲，并且被計算設備上的軟件方案處理。
[0004]傳感器提供以矢量形式`給出的與非重力加速度或比力(specific force)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化到與三個正交矢量分量的瞬時的交通工具姿態(tài)相關(guān)的參考系中。參考系B是在時間t等于(即時的交通工具主體方位，其中該交通工具的主體方位在頻率為m的上一個更新周期內(nèi)被測量。例如，原始測量結(jié)果以頻率m被更新，所以使用上一個更新周期(m-Ι)中捕獲的原始測量結(jié)果來計算在當前時刻t的交通工具的主體方位，因為在本次更新周期(即，t=tm)內(nèi)的測量結(jié)果被捕獲并計算與原始參考系B相關(guān)的交通工具的主體方位。系統(tǒng)中檢測到的每個運動根據(jù)與上一個參考系B中的方位有關(guān)的交通工具主體的當前方位被計算。由傳感器提供的原始測量的三個正交矢量分量以一組方向余弦或四元數(shù)給出，該方向余弦或四元數(shù)描述了就滾動角、俯仰角和偏航角而言的交通工具的空間方位和運動。P.G.Savage,“Strapdown Inertial Navigation Integration AlgorithmDesign Part2:Velocity and Position Algorithms，，Journal of Guidance, Control, andDynamics, vol21, N0.2, 1998, pp.208-221;和 “Strapdown System Algorithms” Advancesin Strapdown Inertial Systems, NATO AGARD Lecture Series N0.133，1984年 5 月，都把捷聯(lián)式系統(tǒng)中的速度算法表示為如下的解析形式:[0005]
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定慣性導航系統(tǒng)中的組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)南到y(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:一組陀螺儀，其被配置來測量旋轉(zhuǎn)角速率并提供具有來自三個正交軸的分量的測量的旋轉(zhuǎn)角速率；一組加速度計，其被配置來測量比力并提供具有來自三個正交軸的分量的測量的比力；以及處理器，其被耦合到所述一組陀螺儀和所述一組加速度計，并被配置為按單一的計算頻率計算第一組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償，所述處理器被配置為:計算在第一個時間間隔期間的瞬時旋轉(zhuǎn)角速率與測量的比力變化的第一矢量積，其中所述瞬時旋轉(zhuǎn)角速率是:在所述第一個時間間隔之前的第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率、在所述第一個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分、以及在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分的累加和；以及將所述第一矢 量積和第二矢量積相加，其中所述第二矢量積是在所述第二個時間間隔期間的比力變化的一部分和所述第一個時間間隔期間測量的角速率的變化的矢量積，其中所述第一個時間間隔和所述第二個時間間隔中的每一個是所述單一的計算頻率的一個周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述速度旋轉(zhuǎn)補償具有均等于零的初始的旋轉(zhuǎn)角速率和比力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置為:確定所述第一個時間間隔內(nèi)的由于所述組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償導致的速度變化；其中所述速度變化等于——具有速度旋轉(zhuǎn)變化的所述第一組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償與第二組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)睦奂雍?；其中利用來自于所述第二個時間間隔和第三個時間間隔的數(shù)據(jù)來計算所述第二組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償；以及所述第三個時間間隔在所述第二個時間間隔之前。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置為:將所述慣性導航系統(tǒng)中的速度變化計算為在第一個計算機時鐘周期頻率期間計算的系統(tǒng)速度以及所述第一個時間間隔內(nèi)的所述速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)淖兓睦奂雍汀?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述單一的計算頻率快于計算機時鐘周期頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述速度旋轉(zhuǎn)補償是:在所述第一個時間間隔中的測量的旋轉(zhuǎn)角速率與所述第一個時間間隔期間的測量的比力的第三矢量積減去所述第二個時間間隔期間的測量的旋轉(zhuǎn)角速率與所述第二個時間間隔期間的測量的比力的第四矢量積所得到的差的累加和與二分之一的乘積，其中所述累加和是在由一分式所限定的數(shù)量的子區(qū)間上計算的，所述分式為所述單一的計算頻率除所述計算機時鐘周期頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償被解析地表示為:(μη +-^Aa1 +吾Δα^χΔν, +古Av^1 \Δα,其中a 是在所述第一個時間間隔之前的第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率，△ Ci1是在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化，△ Ciw是在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化，八^是在所述第一時間間隔期間測量的比力的變化，以及Avw是在所述第二時間間隔期間測量的比力的變化。
8.一種用于按單一的計算頻率計算慣性導航系統(tǒng)的組合的速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)难b置，所述裝置包括:第一測量工具，其用于測量繞著三個正交軸的旋轉(zhuǎn)角速率并提供具有來自三個正交軸的分量的測量的旋轉(zhuǎn)角速率；第二測量工具，其用于測量比力并提供具有來自三個正交軸的分量的測量的比力；以及處理工具，其用于計算速度旋轉(zhuǎn)補償和劃槳補償?shù)睦奂雍停渲兴隼奂雍褪且韵聝身検噶糠e的累加和:第一個時間間隔中的瞬時旋轉(zhuǎn)角速率與測量的比力的變化的第一矢量積，其中所述瞬時旋轉(zhuǎn)角速率是在所述第一個時間間隔之前的第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率、在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分、以及在所述第一個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分的累加和；以及在所述第二個時間間隔內(nèi)的比力的變化的一部分與所述第一個時間間隔期間測量的角速率的變化的第二矢量積。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述第一時間間隔和所述第二時間間隔中的每一個是所述單一的計算頻率的一個周期。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的 裝置，其中所述單一的計算頻率要快于計算機時鐘周期頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述速度旋轉(zhuǎn)補償是:在所述第一個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率與在所述第一個時間間隔期間測量的比力的第三矢量積減去在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率與在所述第二個時間間隔期間測量的比力的第四矢量積所得到的差的累加和與二分之一的乘積，其中所述累加和是在由一分式所限定的數(shù)量的子區(qū)間上計算的，所述分式為所述單一的計算頻率除所述計算機時鐘周期頻率。
12.—種非短暫的處理器可讀的介質(zhì)，包括被配置成導致處理器執(zhí)行如下操作的指令:計算在第一個時間間隔中的瞬時旋轉(zhuǎn)角速率與測量的比力的變化的第一矢量積，其中所述瞬時旋轉(zhuǎn)角速率是:在所述第一個時間間隔之前的第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率、在所述第二個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分、以及在所述第一個時間間隔期間測量的旋轉(zhuǎn)角速率的變化的一部分的累加和；將所述第一矢量積和第二矢量積相加，其中所述第二矢量積是在所述第二個時間間隔內(nèi)的比力的變化的一部分和在所述第一個時間間隔期間測量的角速率的變化的矢量積；以及按單一的計算頻率計算所述第一矢量積和所述第二矢量積，其中所述第一個時間間隔和所述第二個時間間隔中的每一個是所述單一的計算頻率的一個周期；其中所述測量的旋轉(zhuǎn)角速率由一組陀螺儀提供，所述一組陀螺儀耦合到所述處理器并被配置來測量具有來自三個正交軸的分量的旋轉(zhuǎn)角速率；以及其中所述測量的比力由一組加速度計提供，所述一組加速度計耦合到所述處理器并被配置來測量具有來自三個正交 軸的分量的比力。
【文檔編號】G01C21/18GK103429986SQ201280009199
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月17日
【發(fā)明者】紅輝·齊 申請人:希創(chuàng)唐納慣性公司