IMU标定方法和标定流程

IMU标定方法和标定流程

受各种因素影响,微机械IMU放五一定时间后,其误差参数和惯性元件参数会发生变化,不能满足导航、制导的精度要求,因此必须定期对其相应参数重新进行标定.

捷联惯测组合(SIMU)技术成熟、精度适中、可靠性高、成本低,被广泛应用于航空、航天、航海等领域,对其标定方法的研究是惯性技术领域的重要内容。通常通过对捷联惯测组合的标定,分离出其误差系数,并用捷联惯测组合的测量模型对其输出进行补偿,提高惯性导航的精度。因此,误差系数的标定精度严重影响着惯性导航的精度。近年来研究出了许多种捷联惯测组合的标定方法,但其中大多数都需要进行位置标定和速率标定.有的文献提出了一种高精度的“24位置+速率”标定方法,还有一种利用外部信息标定陀螺参数的方法,一级一种基于多元回归的捷联惯测组合标定方法。传统的“位置+速率”标定方法需要精确的北向基准和很高的定位精度或调平精度。这些要求要靠高精度的寻北仪器和水平测量仪器才能实现。传统标定方法所需要的标定时间长,而捷联惯测组合误差系数的特性与通电时间相关,因此通电时间过长所标定出的结果与导弹实际飞行时的误差系数的残差较大,必然带来较大的导航误差。而且过长的标定时间也影响着惯测组合生产厂家和用户的工作效率.结合参考文献内容我们采用一种基于单轴速率转台的捷联惯测组合的标定方法,研究在无北向基准及精确调平的条件下,快速标定出捷联惯测组合全部误差系数的方法。

1.基于单轴速率转台的标定原理

基于单轴速率转台的捷联惯测组合标定方法的基本原理为:将捷联惯测组合放置在单轴速率转台上,在任意位置惯测组合的3个轴分别向上、向下及转动180度后,各进行一次静态数据采集。之后转台匀速旋转一圈。重力加速度g、地球自转角速度w及转台匀速旋转一圈的时间为已知量,结合捷联惯测组合的测量模型,经过适当的数学变换,分离出捷联惯测组合的误差系数。

2 .误差系数的分离算法

2.1 捷联惯测组合的测量模型及姿态转换

加速度通道的测量模型:

其中Nax、Nay和Naz分别为3个加速度计单位时间内输出的脉冲数；Ax、Ay，Az分别为3个方向的视加速度;K0x、K0y和K0z分别为3个加速

度计偏值;K1x、K1y和K1z分别为3个加速度计输出的脉冲当量;Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz和Kyz为加速度计的安装误差系数。

角速度通道的测量模型：

其中:Nx、Ny和Nz分别为陀螺3个通道单位时间内输出的脉冲数;Xx、Xy和Xz 分别为捷联惯测组合3个方向的转动角速度;D0x、D0y和D0z分别为陀螺3个通道的常值漂移项;D1x、D1y、D1z、D2x、D2y、D2z、D3x、D3y和D3z为陀螺与g 有关的项;E1x、E1y和E1z分别为陀螺3个通道输出的脉冲当量;Eyx、Ezx、Exy、Ezy、Exz和Eyz为陀螺的安装误差系数。对捷联惯测组合标定就是从上述加速度通道和角速度通道的测量模型中分离出3个加速度计的偏值、输出的脉冲当量和安装误差系数,陀螺3个通道的常值漂移项、3个方向视加速度的影响系数、3个通道输出的脉冲当量和安装误差系数,共33个参数。将捷联惯测组合放置在单轴速率转台台面中央,转台以角速度X匀速旋转。转台的调平角分别为俯仰角H 和滚转角C,捷联惯测组合的北向方位角为<。由于常用的单轴速率转台底部都有3~4个调平螺杆,仅依靠转台自身的调平螺杆而不需要借助其他设备即可将转台调平至2’以内,因此设H和C均小于5’。其中φ0为捷联惯测组合在转台上的初始方位角,其可为任意值。为便于分析,在推导过程中均认为捷联惯测组合为点

测量组件。

取当地地理坐标系的xt、yt及zt轴分别指向天向、东向和北向,地理坐标系分别绕xt、yt及zt轴转动φ、H和C,地理坐标系到捷联惯测组合坐标系的转换矩阵

2．2 加速度通道误差系数的分离

捷联惯测组合x轴垂直向上放置于转台台面中央,转台以角速度Wx匀速旋转一周,所用时间为Tx,x向加速度计输出的脉冲数为

捷联惯测组合x轴垂直向下放置于转台台面中央,转台以角速度Wx匀速旋转一周,所用时间为Tx,x向加速度计输出的脉冲数为N Ax x−,则有

当r≤5′、θ≤5′时,sinrcosθ≤0.00145,cosrcosθ≤0199999,且在捷联惯测组合调试时已保证加速度计的安装误差系数Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz和Kyz小于0.0058度,则Kyxsinrcosθ≤1.45×10−6，Kyxsinrcosθ≈0,Kzxsinθ≈0,因此可以分离出以下误差系数

捷联惯测组合z轴垂直向上时转台以Wz匀速旋转一周,及捷联惯测组合z轴垂直向下时转台以Wz匀速旋转一周,所用时间分别为Tz和Tz,可以分离出以下误差系数:

至此,标定出了加速度计的K0x、K0y、K0z、K1x、K1y、K1z、Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz和Kyz共12个误差系数。

2．3 角速度通道误差系数的分离

陀螺常值漂移及与g有关项的标定采用在转台静止状态对捷联惯测组合进行数据采集的方法分离。以x轴为例,将捷联惯测组合放置在转台中央,当捷联惯测组合x轴垂直向上时,对捷联惯测组合在位置1(北向方位角∅、调平角θ及γ)进行数据采集;当捷联惯测组合x轴垂直向下(捷联惯测组合3个轴与第1次数据采集时反向)时,对捷联惯测组合在位置1进行第2次数据采集,然后使转台转动180度,到达位置2(北向方位角∅增加180度、调平角θ及γ不变),对捷联惯测组合进行第3次数据采集。利用3次采集的数据即可分离出D0x、D1x、D1y和D1z。

同理对捷联惯测组合y轴垂直向上及垂直向下的情况按上述方法进行数据采集后,可得

对捷联惯测组合z轴垂直向上及垂直向下的情况按上述方法进行数据采集后,可得

陀螺脉冲当量E1x、E1y和E1z及安装误差系数Eyx、Ezx、Exy、Ezy、Exz和Eyz 的分离过程与加速度计误差系数的分离过程相同，至此,标定出了捷联惯测组合角速度通道的D0x、D0y、D0z、D1x、D1y、D1z、D2x、D2y、D2z、D3x、D3y、D3z、E1x、E1y、E1z、Eyx、Ezx、Exy、Ezy、Exz和Eyz共21个误差系数。

3 标定流程及标定数据处理方法

3．1 标定流程

由于导弹在正常飞行过程中的角速率在

5 (度)/s以下,根据以上单轴速率转台标定原理,在兼顾标定速度及标定精度的原则下,对标定的流程编排如下: