單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)零偏誤差靜基座標(biāo)定濾波算法?

尹偉偉 李方能

（1.中國(guó)人民解放軍902廠 上海 200030）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)零偏誤差靜基座標(biāo)定濾波算法?

尹偉偉1李方能2

（1.中國(guó)人民解放軍902廠 上海 200030）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

旋轉(zhuǎn)調(diào)制工作模式下，加速度計(jì)零偏誤差導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)誤差呈周期性變化，影響船用慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)精度。為原位標(biāo)定加速度計(jì)零偏誤差，根據(jù)姿態(tài)角誤差法推導(dǎo)了濾波方程，在駐排條件下可以準(zhǔn)確估計(jì)加速度計(jì)零偏，明顯降低姿態(tài)誤差。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，濾波算法駐排條件下姿態(tài)精度為0.15角分。

單軸旋轉(zhuǎn)；標(biāo)定；加速度計(jì)零偏；原位

1 引言

與其他應(yīng)用領(lǐng)域的慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，船用慣導(dǎo)系統(tǒng)的特點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)航精度要求高。為了滿足艦船導(dǎo)航高精度長(zhǎng)航時(shí)的自主性和隱蔽性的需求，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)航時(shí)精度成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。國(guó)外一方面研制新型慣性元件提高現(xiàn)有慣性器件精度，另一方面于20世紀(jì)60年代開辟了另一條技術(shù)途徑，基于現(xiàn)有陀螺的精度，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)使慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得較高的精度［3］。20世紀(jì)90年代，Sperry公司先后研制出MK39型和AN∕WSN-7船用旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，成為美國(guó)水面艦艇和各級(jí)攻擊潛艇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。由于旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)研究較晚，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的船用報(bào)道。旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差標(biāo)校相關(guān)研究成果主要集中于原理的分析和仿真［4～10］。

單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)繞方位軸旋轉(zhuǎn)，加速度計(jì)零偏誤差隨旋轉(zhuǎn)投影到導(dǎo)航系，導(dǎo)致姿態(tài)誤差呈周期性變化。高精度誤差標(biāo)校通常需要進(jìn)船塢，在駐排狀態(tài)下實(shí)施或?qū)T導(dǎo)拆卸使用轉(zhuǎn)臺(tái)等測(cè)試設(shè)備標(biāo)校，標(biāo)校過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，對(duì)標(biāo)校環(huán)境和操作人員素質(zhì)的要求都比較高。論文提出一種加速度計(jì)零偏誤差原位標(biāo)定濾波算法，可以在駐排條件下準(zhǔn)確標(biāo)定標(biāo)定加速度計(jì)零偏誤差，有效降低旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)誤差，滿足船用慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的需求。

2 標(biāo)定濾波算法

選取東-北-天（ENU）地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系n，定義慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系為p系，轉(zhuǎn)動(dòng)零位置的p系為 p0系，p系相對(duì) p0系的旋轉(zhuǎn)角為α(t)。慣導(dǎo)系統(tǒng)體坐標(biāo)為b系，b系相對(duì)真北方向的當(dāng)前方位角為φ。γ、θ為船體橫搖角和縱搖角。

Ψ角誤差模型的速度誤差方程為［3］

忽略地球自轉(zhuǎn)角速度、導(dǎo)航系轉(zhuǎn)動(dòng)角速度以及重力矢量測(cè)量值差異。在駐排狀態(tài)下，船體速度為零。在系泊狀態(tài)下，船體速度很小，忽略兩套系統(tǒng)速度測(cè)量值差異。則式可以簡(jiǎn)化為

圖1 旋轉(zhuǎn)方位角、方位角與平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角間的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖2所示，在駐排狀態(tài)慣導(dǎo)系統(tǒng)監(jiān)控儀顯示姿態(tài)角原始誤差（峰峰值）為12角分。根據(jù)論文提出的濾波算法編寫標(biāo)定軟件，可以得到加速度計(jì)x軸和y軸零位估計(jì)曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖2 駐排狀態(tài)姿態(tài)實(shí)測(cè)曲線

圖3 加速度計(jì)x軸零位曲線

圖4 加速度計(jì)y軸零位曲線

加速度計(jì)軟件標(biāo)定結(jié)果：-7.9907e-5，-2.1964e-4。加速度計(jì)零偏誤差標(biāo)校后，姿態(tài)誤差由12角分提高至0.15角分（峰峰值）。

4 結(jié)語(yǔ)

1）論文提出的濾波算法能夠?qū)崿F(xiàn)原位標(biāo)校，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明滿足現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)校的需要。

2）濾波算法在駐排狀態(tài)可以準(zhǔn)確估計(jì)加速度計(jì)零偏誤差，有效降低姿態(tài)誤差。

［1］張倫東.船用激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制與誤差標(biāo)校技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2013：8-12.

［2］Jizhou Lai，Ling Zhang，Jianye Liu，et al.Improved environmentfunction to separate andcompensate the errors in rotating SINS［J］. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（1）：16-21.

［3］高鐘毓.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012：11-15.

［4］許江寧，查峰，李京書，等.單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)“航向耦合效應(yīng)”分析與補(bǔ)償［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（1）：26-30.

［5］查峰，許江寧，黃寨華，等.單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)性誤差分析及補(bǔ)償［J］. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，20（1）：11-17.

［6］賴際舟，呂品，張玲，等.旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的圓錐誤差分析及其補(bǔ)償［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（2）：159-164.

［7］Xudong Yu，Yu Wang，Guo Wei，et al.NovelTemperature modeling and compensation method for bias of ring laser gyroscopebased on LS-SVM［J］.Chinese Optics Letters，2011，9（5）：05-12.

［8］袁保倫，饒谷音，廖丹.旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)度因數(shù)誤差效應(yīng)分析［J］. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，18（2）：160-164.

［9］于旭東，王宇，張鵬飛，等.單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在晃動(dòng)基座上的建模及誤差分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（2）：289-292.

［10］陳永冰，鐘斌.慣性導(dǎo)航原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：1-5.

Accelerometer Bias Error Calibration Filter Algorithm for INS with Single Axis Rotation

YIN Weiwei1LI Fangneng2
（1.Chinese PLA 902 Factory，Shanghai 200030）
（2.College of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Due to the azimuth rotation，the attitude error is modulated into a sine or cosine signal.The platform tilt-angle is caused by the accelerometer bias residual error in levelling loop.The roll and pitch are typical sine or cosine signal in static status.In order to calibrate accelerometer bias error in situ，the project utilizes attitude error，and proposes accelerometer bias error calibration algorithm of inertial navigation system.The effectiveness of proposed algorithm is verified and evaluated understatic conditions.The experimental results shows attitude error can be reduced to 0.15 arc-min.

single axis rotation，calibration，accelerometer bias error，in situ

U666.1

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.010

Class Number U666.1

2017年4月4日，

2017年5月25日

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41274013）資助。

尹偉偉，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：導(dǎo)航技術(shù)。李方能，男，博士，副教授，研究方向：導(dǎo)航技術(shù)。