基于系統(tǒng)標定理論的斜置光學慣導標定算法研究

劉群昌, 唐夢麗, 董金華, 牟方佳, 楊道安

(中國航天科工集團第九總體設(shè)計部, 武漢 430040)

0 引言

光學慣導的敏感元件采用斜置安裝技術(shù),可以擴大載體三軸方向的角速度和加速度測量范圍,節(jié)省傳感器安裝空間,這種斜置安裝方式給慣導標定帶來了新的技術(shù)難題。文獻[1]利用慣導與臺體的方向余弦矩陣,采取傳統(tǒng)的元件級標定方法,完成慣導單元標定,標定精度不僅取決于臺體定位精度,而且受慣導與臺體的方向余弦矩陣精度影響;文獻[2]將傳統(tǒng)的零位、比例因子、安裝誤差等參數(shù)等效考慮為一個轉(zhuǎn)換矩陣,采用元件級標定技術(shù)分離誤差參數(shù),標定的最終精度依賴于臺體的定位精度。

文中提出了基于系統(tǒng)標定理論[3]的斜置光學慣導標定技術(shù),通過建立虛擬的臺體坐標系,采用自對準技術(shù)獲取臺體坐標系與光學慣導的姿態(tài)關(guān)系,將斜置光學慣導的輸出轉(zhuǎn)換到虛擬臺體坐標系中,完成在臺體坐標系中的系統(tǒng)標定,利用虛擬臺體坐標系與慣導坐標系之間的誤差參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系,將臺體坐標系中標定的誤差參數(shù)轉(zhuǎn)換到慣導坐標系中,完成光學慣導的誤差參數(shù)標定。采用該算法對斜置慣導進行標定,能自主測量臺體坐標系與慣導坐標系之間的方向余弦矩陣,且對臺體的定位精度要求不高,慣導誤差參數(shù)辨識精度高,對工程應(yīng)用具有重要的參考意義。

1 慣導誤差模型

對光學慣導固定參考軸作如下假設(shè):x軸與Ax加速度計輸入軸一致(Maxy=Maxz=0),y軸位于Ax、Ay加速度計軸構(gòu)成的平面內(nèi)(Mayz=0),則光學慣導系統(tǒng)中慣性儀表的誤差模型可表述為:

2 斜置系統(tǒng)標定原理

IMU采用斜置安裝技術(shù),坐標軸由3個正交陀螺、加速度計敏感軸線約束,安裝誤差依然為小量,坐標關(guān)系示意圖如圖1所示。

2.1 粗對準

通過加速度計信息可以獲取俯仰角和滾動角的值,方位的辨識方法參見第2.3節(jié),利用得到的方位角、俯仰角和滾動角信息再重新計算姿態(tài)信息Cgp,完成初始位置靜基座對準。

2.2 誤差分離

對b系下的誤差模型定義與p系一致,即δfb

通過文獻[4]可知,系統(tǒng)標定方法可以分離b系下的21個誤差參數(shù)。

從上式可以看出誤差參數(shù)轉(zhuǎn)換到p系后為24個,根據(jù)p系下定義的誤差模型可知,需要對安裝誤差做進一步的合并處理,限于篇幅在此不再推導。

2.3 方位辨識

3 仿真結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)推導出的斜置光學慣導系統(tǒng)標定方法,對慣導在各個不同典型的初始條件進行了仿真,仿真初始條件:

1)臺體:方位角90°,俯仰角0°,橫滾角90°,慣導:方位角93°,俯仰角50°,橫滾角50°;

2)臺體:方位角93°,俯仰角3°,橫滾角93°,慣導:方位角87°,俯仰角70°,橫滾角70°。

仿真結(jié)果部分參數(shù)如表1。

仿真結(jié)果表明,利用光學慣導斜置系統(tǒng)標定算法計算出的慣性儀表參數(shù)與理論值的差值在1.0e-6數(shù)量級,陀螺零位誤差在1.0e-3數(shù)量級,參數(shù)收斂速度較快,能自主測量慣導坐標系到臺體坐標系的坐標轉(zhuǎn)換,且降低了對轉(zhuǎn)臺的定位精度的要求,對實際工程應(yīng)用具用重要的參考意義。

表1 仿真結(jié)果

參考文獻:

[1] 程耀強, 徐德民, 萬彥輝, 等. 斜裝激光陀螺石英加速度計標定算法研究 [J]. 壓電與聲光, 2013, 35(3): 362-367.

[2] 郭鵬飛, 任章. 斜置慣性測量單元的一體化標定技術(shù) [J]. 中國慣性技術(shù)學報, 2007, 15(3): 377-381.

[3] 董金華, 楊道安, 陸俊清, 等. 基于系統(tǒng)標定理論的機械和光學慣導統(tǒng)一標定算法 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(3): 29-32.

[4] 楊曉霞, 黃一. 激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的一種系統(tǒng)級標定方法 [J]. 中國慣性技術(shù)學報, 2008, 16(1): 1-7.