捷联惯导系统标定方案设计

吴运平 何永前 林新荣

(湛江航保修理厂 湛江 524000)

捷联惯导系统标定方案设计

吴运平 何永前 林新荣

(湛江航保修理厂 湛江 524000)

以船用各种高精度光学捷联惯导系统为主要研究对象,开展高精度标定技术研究,完成船用高精度光学捷联惯导系统码头标定实验室样机建设,实现不同类型光学捷联惯导系统的自动化标定,并通过综合仿真验证系统、跑车验证系统来确认标定结果的有效性,确保惯导系统在实际使用环境下的精度。

光学标定; 仿真验证; 惯性仪表; 光学陀螺

Class Number O666.1

1 引言

随着激光陀螺和光纤陀螺技术的迅速发展,在航海领域光学捷联惯导系统也逐步得到应用。

本文以光学(光纤、激光)捷联惯导系统为研究对象,给出船用捷联惯导系统码头标定实验室样机的设计方案。该系统同时能够兼顾挠性捷联惯导系统的标定。

2 标定工作原理[1]

根据标定场所可以将标定分为内场标定和外场标定,这是标定的两个不同阶段,内场标定是外场标定的基础。内场标定是指在实验室内利用惯性测试设备标定系统的参数,此时标定出的参数是相对于标准的北向基准及水平基准的。外场标定则是将系统安装在船体上后进行的标定。

根据标定的层次可以分为元件标定和系统标定。元件级的标定一般是在工厂进行的。惯性仪表的精度最终是反映在惯性系统的精度性能水平上的,而且惯性系统的误差还与系统的结构参数有关,如安装误差,因此通过惯性系统的测试即系统标定,可直接得到仪表的实际使用性能参数和系统的结构参数。

系统的标定根据观测量的不同可以分为分立标定法和系统级标定法。分立标定法直接利用陀螺仪和加速度计的输出作为观测量,一般采用最小二乘法。系统级标定则利用陀螺仪和加速度计的输出进行导航解算,以导航误差(位置误差、速度误差及姿态误差)作为观测量来标定系统的误差参数。

系统级标定方法具备如下优点:对标定设备要求低;工作方式灵活;精度较高。

3 研究内容及关键技术

3.1 研究内容

3.1.1 捷联惯导系统误差特性分析

不同惯性仪表的误差有其自身的特性,其相应的误差模型也不尽相同。

不同的应用领域对惯性仪表和惯性导航系统的精度要求不同,对不同的载体而言,误差的主要来源也不同。

3.1.2 高精度复合标定方法[4,6]

高精度复合标定方法由传统的分立标定方法和系统级标定方法组合而成。

传统分立标定方法:分立标定法直接利用IMU的输出进行标定。

系统级标定方法:系统级标定建立在导航系统误差传播方程基础上,通过一段时间的导航累积,根据导航结果反算系统各项误差。在具体的标定过程中,通常利用零速等外部信息进行辅助。。

转台姿态的改变是连续的,其变化规律叫做标定路径。

3.1.3 多级综合仿真验证技术

本项目开发了综合仿真验证平台,对标定效果进行在线评估,确保标定结果的有效性。综合仿真验证技术的基本原理为标定完成后,把标定结果补偿进导航系统,用三轴转台按照设计路径改变惯导系统姿态并进行导航,由导航误差大小即可评估标定结果准确与否:具体的验证手段分为三级: 1) 静态导航验证; 2) 动态导航验证; 3) 跑车验证。

3.2 关键技术

3.2.1 系统级标定路径优化设计[7～8]

如前面所述,系统级标定是通过特定的路径设计激发误差,并通过可观测量来推算出误差大小。因此,路径的“特定性”将决定惯导系统标定是否准确、快速,即标定路径优化设计是本项目的关键技术之一。对于惯导系统标定技术而言,准确性和快速性是两项重要指标,如何在最短的时间内最准确地标定出惯导系统的各种误差是标定路径优化设计的目标。因此,标定路径优化设计问题是一个多目标非线性规划设计问题。

3.2.2 标定精度分析技术

分析标定精度与器件、转台等硬件设备自身精度关系,从理论上对标定精度进行评估,找出标定精度影响因素,进而指导系统设计。

3.2.3 多级综合仿真验证技术

多级综合仿真验证技术一方面为标定结果提供了验证手段,另一方面也为惯导系统在工作寿命期内可能经历的动态环境下的表现提供了测试手段。如前所述,现有技术对惯导系统标定结果的验证不够充分,尤其是无法在实验室中模拟系统将来的真实动态环境来验证系统是否达到设计要求。由此可见,多级综合仿真验证技术是本项目的一个关键技术。

3.2.4 场地建设

场地建设是捷联惯导系统码头标定试验及多级综合仿真验证测试的基础和保障条件,也是本项目的关键技术之一,主要包括场地规划、稳定测试地基建立、稳定测试方位基准建立、设备选型等方面。

惯导系统标定过程中要求稳定的测试基准,因此对场地的地质特性有特殊要求,从而建设地基,确保测试基准稳定。一般情况下,惯导系统精度越高,对基准稳定性要求越严格。此外,惯导系统标定过程还要求准确的初始对准,因此在场地建设中要引入准确的北向基准以及基准传递设备。测试设备的指标要选择得当,指标太低会影响标定和试验结果的准确性,指标太高,则会增加建设成本,造成不必要的经济浪费。因此,要以建设目标为依据,通过理论分析,恰当对设备进行选型,确定设备指标。

4 方案设计

4.1 研究方案

船用捷联惯导系统标定系统的研究采取自上而下的总体研究思路,以总体目标为输入条件,以理论分析、工艺实现以及实验验证与优化相结合的方法,分阶段对船用捷联惯导系统标定系统进行研究。从而达到总体技术指标的实现,图1为项目研究总体技术路线。

4.2 技术途径

4.2.1 在役或即将服役捷联惯导系统特性分析

1) 误差特性分析与建模[2～3]

对模型的建立采用物理建模的方法:根据对仪表误差机理的分析并结合实验测试数据,确定误差模型中的各项参数。物理模型中的每一项,都跟产生仪表内部组件的物理因素有关。基于此通过实验确定出这些未知参数之后,可以对调整仪表的参数、评价仪器的质量和性能、改进设计等提供具体准确的数据。

影响惯性器件误差的外界因素很多,一般来说主要有三类误差:与载体线运动有关的误差,即静态误差;与载体角运动有关的误差,即动态误差;不确定的、随机变化的误差,这是不可补偿的误差部分。在标定过程中只考虑与静态误差模型有关的误差项,即零偏误差、安装误差、标度因数误差。

光学陀螺(激光陀螺、光纤陀螺)的静态误差模型为

(1)

其中,NGx,NGy,NGz分别为各陀螺的脉冲输出;D0x,D0y,D0z分别为各陀螺的零偏;Dxx,Dyy,Dzz分别为各陀螺的标度因数;Dxy,Dxz,Dyx,Dyz,Dzx,Dzy为各陀螺间的安装误差。ωx,ωy,ωz为沿组合坐标系的角速度分量,T为采集时间。

加速度计的静态误差模型为

(2)

其中,NAx,NAy,NAz分别为单位时间内各加速度计的输出脉冲数;k0x,k0y,k0z分别为各加速度计的零偏;kxx,kyy,kzz分别为各加速度计的标度因数;kxy,kxz,kyx,kyz,kzx,kzy为各加速度计间的安装误差,Ax,Ay,Az为沿组合坐标系的加速度分量,静态时为地球重力加速度分量。

2) 电气、机械特性分析及工装夹具加工

分析电气接口特性,实现对各种不同电气接口的捷联惯导系统数据的采集。

结合转台机械特征,系统在转台上的精确安装固定。

4.2.2 高精度复合标定方法

1) 分立标定法[7]

分立标定法直接利用IMU的输出进行标定。加速度计的标定通常采用多位置法,该方法的特点是由惯性测试转台提供多个转动位置,最基本的6位置标定方法,12位置标定方法,24位置标定方法等,基本原理一致,只是在位置的编排上不同。

陀螺的标定是利用速率转台给陀螺仪提供精确的速率输入,采集陀螺的输出,可以标定出陀螺的参数,为了标定出每个陀螺的参数,需要在每个陀螺的输入轴方向都要有角速率输入。通常陀螺漂移很小(远小于地球自转角速率),并且标定中转台在大速率条件下的转动时间短,因此陀螺标定系数和陀螺等效漂移可以分开标定。陀螺标定系数矩阵的标定可通过转台转动的方法标定,常用的方法是使转台绕载体系x,y,z轴正反转动各n圈,将陀螺正转输出脉冲减去负转输出脉冲消除地球自转角速率和漂移的影响。

利用三轴速率转台标定时,标定陀螺x轴可通过绕内框轴连续转动实现对陀螺x的标定;标定陀螺y和z,控制中框和内框使陀螺y和z依次对准中框轴,绕中框轴连续转动实现对陀螺y和z的标定。

2) 系统级标定法[10]

误差标定的目的是对器件和系统误差的常值部分进行估计并在系统中进行补偿,以提高惯性器件的使用精度和稳定性。系统级误差标定过程分成粗标定和精标定过程。粗标定即是上述传统的分立标定法,将粗标定结果在系统中进行补偿,使系统进入误差小量线性范围内,利于精标定采用卡尔曼滤波器进行误差分离。粗误差补偿后的残差进行系统级标定,其目的是将粗标定的残差进行分离。标定过程流程图见图2。通过设计转台特殊的转动路径和转动位置,可进一步将剩余的常值误差激发,通过一定时间积分,对误差累积的和进行观测和分离。从而可以对被噪声所淹没的确定性误差标定,提高惯性器件和系统的使用精度。

系统级标定过程流程如图3所示,其关键技术在于:

设计特殊的一系列转台动作。其目的是孤立、分离交联误差,使某一误差在某几个转台动作中凸现出来,便于分离;

引入导航解算过程,将凸现的某一小量和微量误差通过时间的累积激发放大,提高可观性和可测性。

4.2.3 多级综合仿真验证技术

1) 静态导航验证

捷联惯导系统标定完成后在转台上进行一段时间的静态数据采集,采集数据用标定的参数进行补偿后,根据已知的位置、姿态信息进行导航,由导航精度可以判断标定效果。

2) 动态导航验证

在对惯导系统进行标定的基础上,用三轴仿真转台模拟惯性系统实际运动过程,预先设计各种环境条件,部分模拟实际航行环境下惯导系统标定的有效性,评估惯导系统在实际工况下的性能。

利用上述构建的仿真环境模拟摇摆运动、车载试验环境及实航试验环境,对船用捷联惯导系统的标定精度进行验证,并对惯导系统在实际环境下的导航精度进行评估。图4是本实验室已研制的某惯导系统仿真仿真验证系统样机。

4.2.4 跑车实验验证系统[5,9]

捷联惯性导航系统在实际应用前,需要尽量模拟实际应用环境,对惯导系统的各项性能进行测试、分析。跑车实验验证系统可以较逼真地模拟船的实际运动状态,从而分析惯导系统在实际应用时的真实性能,为惯导系统的动态性能评估提供重要的参考依据。

分析惯导系统在实际应用时的真实性能,为惯导系统的性能评估及改进设计提供重要的参考依据。

车载试验系统的功能包括: 1) 检验惯导系统的环境适应能力; 2) 能够进行长时间不间断的车载试验,检验惯导系统运动环境下的长航时性能; 3) 具有多种辅助设备,检验惯性系统与各种设备间的通信及数据融合性能; 4) 具有高精度基准参考系统,可以实时评估惯性系统跑车试验精度。

选取国内生产、使用比较成熟的越野车作为原型车进行改造。

配置的辅助导航设备包括GPS定位接收机,北斗定位接收机,水平仪以及陀螺经纬仪等。直流供电通过连接多组蓄电池进行供电,交流电通过逆变器或车载发电机提供。通信网络主要由相应的CAN网络分析仪、串口卡和同步信号发生器组成。过渡板包括安装在车顶行李架上的辅助设备安装过渡板和安装在车厢尾部的系统安装过渡板。

5 结语

通过对捷联惯导系统的误差特性分析与建模,采用多级综合仿真验证技术,高精度复合标定方法和跑车验证系统,能够实现对捷联惯导系统的标定和验证,可直接得到惯性仪表的实际使用参数和系统的结构参数,并评估捷联惯导系统的动态性能。

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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

吴运平,男,工程师,研究方向:导航装备开发与研究。何永前,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:导航装备开发与研究。林新荣,女,硕士研究生,工程师,研究方向:导航装备开发与研究。

O666.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.012