捷聯慣導系統標定方案設計

吳運平 何永前 林新榮

(湛江航保修理廠 湛江 524000)

捷聯慣導系統標定方案設計

吳運平 何永前 林新榮

(湛江航保修理廠 湛江 524000)

以船用各種高精度光學捷聯慣導系統為主要研究對象,開展高精度標定技術研究,完成船用高精度光學捷聯慣導系統碼頭標定實驗室樣機建設,實現不同類型光學捷聯慣導系統的自動化標定,并通過綜合仿真驗證系統、跑車驗證系統來確認標定結果的有效性,確保慣導系統在實際使用環境下的精度。

光學標定; 仿真驗證; 慣性儀表; 光學陀螺

Class Number O666.1

1 引言

隨著激光陀螺和光纖陀螺技術的迅速發展,在航海領域光學捷聯慣導系統也逐步得到應用。

本文以光學(光纖、激光)捷聯慣導系統為研究對象,給出船用捷聯慣導系統碼頭標定實驗室樣機的設計方案。該系統同時能夠兼顧撓性捷聯慣導系統的標定。

2 標定工作原理[1]

根據標定場所可以將標定分為內場標定和外場標定,這是標定的兩個不同階段,內場標定是外場標定的基礎。內場標定是指在實驗室內利用慣性測試設備標定系統的參數,此時標定出的參數是相對于標準的北向基準及水平基準的。外場標定則是將系統安裝在船體上后進行的標定。

根據標定的層次可以分為元件標定和系統標定。元件級的標定一般是在工廠進行的。慣性儀表的精度最終是反映在慣性系統的精度性能水平上的,而且慣性系統的誤差還與系統的結構參數有關,如安裝誤差,因此通過慣性系統的測試即系統標定,可直接得到儀表的實際使用性能參數和系統的結構參數。

系統的標定根據觀測量的不同可以分為分立標定法和系統級標定法。分立標定法直接利用陀螺儀和加速度計的輸出作為觀測量,一般采用最小二乘法。系統級標定則利用陀螺儀和加速度計的輸出進行導航解算,以導航誤差(位置誤差、速度誤差及姿態誤差)作為觀測量來標定系統的誤差參數。

系統級標定方法具備如下優點:對標定設備要求低;工作方式靈活;精度較高。

3 研究內容及關鍵技術

3.1 研究內容

3.1.1 捷聯慣導系統誤差特性分析

不同慣性儀表的誤差有其自身的特性,其相應的誤差模型也不盡相同。

不同的應用領域對慣性儀表和慣性導航系統的精度要求不同,對不同的載體而言,誤差的主要來源也不同。

3.1.2 高精度復合標定方法[4,6]

高精度復合標定方法由傳統的分立標定方法和系統級標定方法組合而成。

傳統分立標定方法:分立標定法直接利用IMU的輸出進行標定。

系統級標定方法:系統級標定建立在導航系統誤差傳播方程基礎上,通過一段時間的導航累積,根據導航結果反算系統各項誤差。在具體的標定過程中,通常利用零速等外部信息進行輔助。。

轉臺姿態的改變是連續的,其變化規律叫做標定路徑。

3.1.3 多級綜合仿真驗證技術

本項目開發了綜合仿真驗證平臺,對標定效果進行在線評估,確保標定結果的有效性。綜合仿真驗證技術的基本原理為標定完成后,把標定結果補償進導航系統,用三軸轉臺按照設計路徑改變慣導系統姿態并進行導航,由導航誤差大小即可評估標定結果準確與否:具體的驗證手段分為三級: 1) 靜態導航驗證; 2) 動態導航驗證; 3) 跑車驗證。

3.2 關鍵技術

3.2.1 系統級標定路徑優化設計[7～8]

如前面所述,系統級標定是通過特定的路徑設計激發誤差,并通過可觀測量來推算出誤差大小。因此,路徑的“特定性”將決定慣導系統標定是否準確、快速,即標定路徑優化設計是本項目的關鍵技術之一。對于慣導系統標定技術而言,準確性和快速性是兩項重要指標,如何在最短的時間內最準確地標定出慣導系統的各種誤差是標定路徑優化設計的目標。因此,標定路徑優化設計問題是一個多目標非線性規劃設計問題。

3.2.2 標定精度分析技術

分析標定精度與器件、轉臺等硬件設備自身精度關系,從理論上對標定精度進行評估,找出標定精度影響因素,進而指導系統設計。

3.2.3 多級綜合仿真驗證技術

多級綜合仿真驗證技術一方面為標定結果提供了驗證手段,另一方面也為慣導系統在工作壽命期內可能經歷的動態環境下的表現提供了測試手段。如前所述,現有技術對慣導系統標定結果的驗證不夠充分,尤其是無法在實驗室中模擬系統將來的真實動態環境來驗證系統是否達到設計要求。由此可見,多級綜合仿真驗證技術是本項目的一個關鍵技術。

3.2.4 場地建設

場地建設是捷聯慣導系統碼頭標定試驗及多級綜合仿真驗證測試的基礎和保障條件,也是本項目的關鍵技術之一,主要包括場地規劃、穩定測試地基建立、穩定測試方位基準建立、設備選型等方面。

慣導系統標定過程中要求穩定的測試基準,因此對場地的地質特性有特殊要求,從而建設地基,確保測試基準穩定。一般情況下,慣導系統精度越高,對基準穩定性要求越嚴格。此外,慣導系統標定過程還要求準確的初始對準,因此在場地建設中要引入準確的北向基準以及基準傳遞設備。測試設備的指標要選擇得當,指標太低會影響標定和試驗結果的準確性,指標太高,則會增加建設成本,造成不必要的經濟浪費。因此,要以建設目標為依據,通過理論分析,恰當對設備進行選型,確定設備指標。

4 方案設計

4.1 研究方案

船用捷聯慣導系統標定系統的研究采取自上而下的總體研究思路,以總體目標為輸入條件,以理論分析、工藝實現以及實驗驗證與優化相結合的方法,分階段對船用捷聯慣導系統標定系統進行研究。從而達到總體技術指標的實現,圖1為項目研究總體技術路線。

4.2 技術途徑

4.2.1 在役或即將服役捷聯慣導系統特性分析

1) 誤差特性分析與建模[2～3]

對模型的建立采用物理建模的方法:根據對儀表誤差機理的分析并結合實驗測試數據,確定誤差模型中的各項參數。物理模型中的每一項,都跟產生儀表內部組件的物理因素有關?；诖送ㄟ^實驗確定出這些未知參數之后,可以對調整儀表的參數、評價儀器的質量和性能、改進設計等提供具體準確的數據。

影響慣性器件誤差的外界因素很多,一般來說主要有三類誤差:與載體線運動有關的誤差,即靜態誤差;與載體角運動有關的誤差,即動態誤差;不確定的、隨機變化的誤差,這是不可補償的誤差部分。在標定過程中只考慮與靜態誤差模型有關的誤差項,即零偏誤差、安裝誤差、標度因數誤差。

光學陀螺(激光陀螺、光纖陀螺)的靜態誤差模型為

(1)

其中,NGx,NGy,NGz分別為各陀螺的脈沖輸出;D0x,D0y,D0z分別為各陀螺的零偏;Dxx,Dyy,Dzz分別為各陀螺的標度因數;Dxy,Dxz,Dyx,Dyz,Dzx,Dzy為各陀螺間的安裝誤差。ωx,ωy,ωz為沿組合坐標系的角速度分量,T為采集時間。

加速度計的靜態誤差模型為

(2)

其中,NAx,NAy,NAz分別為單位時間內各加速度計的輸出脈沖數;k0x,k0y,k0z分別為各加速度計的零偏;kxx,kyy,kzz分別為各加速度計的標度因數;kxy,kxz,kyx,kyz,kzx,kzy為各加速度計間的安裝誤差,Ax,Ay,Az為沿組合坐標系的加速度分量,靜態時為地球重力加速度分量。

2) 電氣、機械特性分析及工裝夾具加工

分析電氣接口特性,實現對各種不同電氣接口的捷聯慣導系統數據的采集。

結合轉臺機械特征,系統在轉臺上的精確安裝固定。

4.2.2 高精度復合標定方法

1) 分立標定法[7]

分立標定法直接利用IMU的輸出進行標定。加速度計的標定通常采用多位置法,該方法的特點是由慣性測試轉臺提供多個轉動位置,最基本的6位置標定方法,12位置標定方法,24位置標定方法等,基本原理一致,只是在位置的編排上不同。

陀螺的標定是利用速率轉臺給陀螺儀提供精確的速率輸入,采集陀螺的輸出,可以標定出陀螺的參數,為了標定出每個陀螺的參數,需要在每個陀螺的輸入軸方向都要有角速率輸入。通常陀螺漂移很小(遠小于地球自轉角速率),并且標定中轉臺在大速率條件下的轉動時間短,因此陀螺標定系數和陀螺等效漂移可以分開標定。陀螺標定系數矩陣的標定可通過轉臺轉動的方法標定,常用的方法是使轉臺繞載體系x,y,z軸正反轉動各n圈,將陀螺正轉輸出脈沖減去負轉輸出脈沖消除地球自轉角速率和漂移的影響。

利用三軸速率轉臺標定時,標定陀螺x軸可通過繞內框軸連續轉動實現對陀螺x的標定;標定陀螺y和z,控制中框和內框使陀螺y和z依次對準中框軸,繞中框軸連續轉動實現對陀螺y和z的標定。

2) 系統級標定法[10]

誤差標定的目的是對器件和系統誤差的常值部分進行估計并在系統中進行補償,以提高慣性器件的使用精度和穩定性。系統級誤差標定過程分成粗標定和精標定過程。粗標定即是上述傳統的分立標定法,將粗標定結果在系統中進行補償,使系統進入誤差小量線性范圍內,利于精標定采用卡爾曼濾波器進行誤差分離。粗誤差補償后的殘差進行系統級標定,其目的是將粗標定的殘差進行分離。標定過程流程圖見圖2。通過設計轉臺特殊的轉動路徑和轉動位置,可進一步將剩余的常值誤差激發,通過一定時間積分,對誤差累積的和進行觀測和分離。從而可以對被噪聲所淹沒的確定性誤差標定,提高慣性器件和系統的使用精度。

系統級標定過程流程如圖3所示,其關鍵技術在于:

設計特殊的一系列轉臺動作。其目的是孤立、分離交聯誤差,使某一誤差在某幾個轉臺動作中凸現出來,便于分離;

引入導航解算過程,將凸現的某一小量和微量誤差通過時間的累積激發放大,提高可觀性和可測性。

4.2.3 多級綜合仿真驗證技術

1) 靜態導航驗證

捷聯慣導系統標定完成后在轉臺上進行一段時間的靜態數據采集,采集數據用標定的參數進行補償后,根據已知的位置、姿態信息進行導航,由導航精度可以判斷標定效果。

2) 動態導航驗證

在對慣導系統進行標定的基礎上,用三軸仿真轉臺模擬慣性系統實際運動過程,預先設計各種環境條件,部分模擬實際航行環境下慣導系統標定的有效性,評估慣導系統在實際工況下的性能。

利用上述構建的仿真環境模擬搖擺運動、車載試驗環境及實航試驗環境,對船用捷聯慣導系統的標定精度進行驗證,并對慣導系統在實際環境下的導航精度進行評估。圖4是本實驗室已研制的某慣導系統仿真仿真驗證系統樣機。

4.2.4 跑車實驗驗證系統[5,9]

捷聯慣性導航系統在實際應用前,需要盡量模擬實際應用環境,對慣導系統的各項性能進行測試、分析。跑車實驗驗證系統可以較逼真地模擬船的實際運動狀態,從而分析慣導系統在實際應用時的真實性能,為慣導系統的動態性能評估提供重要的參考依據。

分析慣導系統在實際應用時的真實性能,為慣導系統的性能評估及改進設計提供重要的參考依據。

車載試驗系統的功能包括: 1) 檢驗慣導系統的環境適應能力; 2) 能夠進行長時間不間斷的車載試驗,檢驗慣導系統運動環境下的長航時性能; 3) 具有多種輔助設備,檢驗慣性系統與各種設備間的通信及數據融合性能; 4) 具有高精度基準參考系統,可以實時評估慣性系統跑車試驗精度。

選取國內生產、使用比較成熟的越野車作為原型車進行改造。

配置的輔助導航設備包括GPS定位接收機,北斗定位接收機,水平儀以及陀螺經緯儀等。直流供電通過連接多組蓄電池進行供電,交流電通過逆變器或車載發電機提供。通信網絡主要由相應的CAN網絡分析儀、串口卡和同步信號發生器組成。過渡板包括安裝在車頂行李架上的輔助設備安裝過渡板和安裝在車廂尾部的系統安裝過渡板。

5 結語

通過對捷聯慣導系統的誤差特性分析與建模,采用多級綜合仿真驗證技術,高精度復合標定方法和跑車驗證系統,能夠實現對捷聯慣導系統的標定和驗證,可直接得到慣性儀表的實際使用參數和系統的結構參數,并評估捷聯慣導系統的動態性能。

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Design of Strapdown Inertial Navigation System Calibration Scheme

WU Yunping HE Yongqian LING Xingrong

(Zhanjiang Navigation Instrument Maintenance Factory, Zhanjiang 524000)

Taking a variety of marine high-precision optical strapdown inertial navigation system as the main research object, high precision calibration technology research is carried out, the high precision inertial navigation system terminal calibration laboratory prototype construction is completed, different kinds of optical automatic calibration for strapdown inertial navigation system are achieved, it is ensured that the inertial navigation system is precision in actual use environment, and it is verified that the calibration results is effective through the comprehensive simulation system and car verification system.

optical calibration, simulation verification, inertial instruments, optical gyro

2016年8月12日,

2016年9月28日

吳運平,男,工程師,研究方向:導航裝備開發與研究。何永前,男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:導航裝備開發與研究。林新榮,女,碩士研究生,工程師,研究方向:導航裝備開發與研究。

O666.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.012