基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，屬于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。本發(fā)明直接將陀螺輸出角速率進行矢量叉乘，可以有效地補償剛體轉(zhuǎn)動不可交換性誤差，同時前一姿態(tài)更新周期與當前姿態(tài)更新周期內(nèi)數(shù)值積分得到的角增量進行叉乘，進一步提高了算法姿態(tài)解算精度，本發(fā)明有效地解決角速率輸出光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)在高動態(tài)環(huán)境下姿態(tài)求解問題。
【專利說明】基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，1976年美國猶他州立大學(xué)V.Vali和R.Shorthill教授首次提出了光纖陀螺(Fiber-Optic Gyroscope, FOG)的概念,光纖陀螺已成為慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的重要傳感器件。對于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，有限轉(zhuǎn)動的不可交換性誤差是其姿態(tài)解算的一個主要誤差源，雖然可以通過提高姿態(tài)更新頻率來減小不可交換性誤差，但是計算機的采樣頻率有限，不可能無限制地提高，因此有必要研究一種適用于載體高動態(tài)環(huán)境下的姿態(tài)算法。
[0003]1971年，Bortz提出了旋轉(zhuǎn)矢量微分方程，為一種全新的姿態(tài)算法提供了理論基礎(chǔ)，有效地解決了算法求解過程中存在的不可交換性誤差；在此基礎(chǔ)上，Miller提出了二子樣、三子樣誤差補償算法，而Lee在此基礎(chǔ)上又提出了四子樣算法Jiang提出了利用當前周期與前一周期陀螺儀采樣信號進行誤差補償新算法，能夠提高算法精度；Savage對前人工作進行了總結(jié)，并就姿態(tài)更新算法的實現(xiàn)提出了一系列技巧，給出了完整的捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)算法編排和離散更新方法。這些算法的實現(xiàn)都是基于陀螺儀的角增量信息展開的，當陀螺儀輸出為角速率信號時，利用數(shù)值積分方法將角速率信息轉(zhuǎn)換為角增量信息，然后直接應(yīng)用傳統(tǒng)圓錐誤差補償算法，算法精度會降低2個數(shù)量級，不能滿足載體高動態(tài)環(huán)境下對姿態(tài)解算精度的要求。針對干涉型光纖陀螺角速率信號可直接得到的特點，有必要研究一種能夠直接利用陀螺儀輸出角速率信息進行姿態(tài)解算算法，從而進一步提高光纖陀螺儀的實際工程利用價值。
[0004]采用畢卡法求解四元數(shù)微分方程時，其過程是先計算出載體運動時對應(yīng)的四元數(shù)Q⑴，再根據(jù)四元數(shù)和姿態(tài)矩陣的對應(yīng)關(guān)系，分別求出姿態(tài)矩陣和姿態(tài)角。
[0005]四元數(shù)微分方程的畢卡求解法:.0
【權(quán)利要求】
1.一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其中所述光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化過程包括旋轉(zhuǎn)矢量計算模塊和四元數(shù)更新模塊，所述旋轉(zhuǎn)矢量表示載體姿態(tài)的變化，所述四元數(shù)表示載體相對于參考坐標系的實時方位， 所述的旋轉(zhuǎn)矢量計算模塊執(zhí)行以下步驟: (11)利用DSP和FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，在一個姿態(tài)更新周期內(nèi)，F(xiàn)PGA把光纖陀螺串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，對陀螺儀的輸出采樣(N+1)次，分別得到載體運動角速率?!>--?> ?N，其中N表示旋轉(zhuǎn)矢量子樣數(shù)； (12)利用數(shù)值積分方法對陀螺儀采樣值進行積分，一個姿態(tài)更新周期內(nèi)陀螺儀角增量輸出Q大小為: 式中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(13)中，高動態(tài)環(huán)境下，利用角速率矢量叉乘項補償圓錐誤差對姿態(tài)解算精度的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角速率輸入的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(13)中，對捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)更新來說，標準圓錐運動是最惡劣的工作環(huán)境，會誘發(fā)數(shù)學(xué)平臺的嚴重漂移，以標準圓錐運動為算法優(yōu)化準則，并利用泰勒級數(shù)展開對旋轉(zhuǎn)矢量算法進行優(yōu)化，得到最優(yōu)圓錐誤差補償系數(shù)Ki和G。
【文檔編號】G01C21/16GK103712623SQ201410023748
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】程向紅, 胡杰, 馮驥 申請人:東南大學(xué)