激光陀螺惯性测量单元系统级标定方法

传统的分立标定方法必须依靠高精度的转台提供姿态基准,不满足带减振器的惯性测量单元(IMU)和现场标定需求.首先建立了附加约束条件的陀螺和加速度计安装坐标系数学模型,根据陀螺和加速度计的输出误差方程,从惯性导航基本误差方程出发推导了惯性测量单元的系统级误差参数标定Kalman滤波模型,该模型包含了陀螺和加速度计零偏、比例因子、安装误差在内共21维标定误差状态变量,且仅以速度解算误差为观测量.依据所建立的模型和设计的标定路径对此系统级标定方法进行了仿真,仿真结果表明,陀螺和加速度计零偏估计精度分别优于0.005°/h和0.005 mg,安装误差估计精度优于1″,比例因子误差优于1ppm,满足高精度惯导系统的标定需求.     

加速度计在精密离心机上的标定方法与误差分析

为了提高加速度计非线性误差系数在离心机上的标定精度,应对离心机的误差源进行准确地分析和有效地分离。首先,通过分析双轴离心机的误差源建立了相应的坐标系,利用齐次变换法推导了加速度计在离心机上的精确比力输入并建立了加速度计的标定模型。其次,分析了相应误差项对加速度计零偏、标度因子和非线性误差项系数的标定影响,设计了加速度计在离心机上标定时的误差分离方法。最后,通过实验对加速度计的误差模型系数进行了辨识。结果表明,该方法能够准确分离出失准角误差和偏心误差,非线性误差系数的标定不确定度量级为10~(-4),能够有效提高加速度计的标定精度。     

加速度计误差系数对拟合残差的影响及试验分析

为了提高加速度计的测试精度,针对加速度计在重力场的试验,分析了加速度计误差模型中误差系数对辨识拟合残差的影响.通过石英挠性加速度计的三十六位置翻滚试验,利用最小二乘参数估计后,根据残差曲线的规律性形状确定了加速度计误差模型中存在零偏不对称项和标度因数不对称项,从而进一步完善误差模型.试验结果表明,被测加速度计的零偏不对称项和标度因数不对称项对辨识结果影响很大,加入到误差模型中拟合残差标准差从原来的1.1×10-5g提高到 7×10-6g左右,精度明显得到改善.     

基于迭代估计的三轴加速度计温度模型参数外场标定方法

为补偿加速度计标度因数和零偏的热漂移误差,设计了一种可估计内场恒温环境下参数变化量的加速度计温度参数模型,并提出了基于迭代估计的温度模型参数外场标定方法。该方法不依赖精密的惯性测量设备和温箱,仅在重力场内对加速度计进行连续多组位置观测,充分利用加速度计冷启动过程产生的热漂移误差进行模型参数辨识,解决了加速度计温度误差特性和启动温度点相关的问题。针对加速度计测量信号为高斯白噪声的特点,建立了关于温度模型参数矢量和多组位置倾斜矢量的非线性准则函数,提出了两步迭代估计方法实现两组参数矢量的分离估计。根据不同位置下三轴加速度计输出信号粗略提取倾斜矢量,解决了迭代估计算法的初值问题。重力场内通过优化分析加速度计温度模型参数对重力值的灵敏度,设计了6组位置观测编排。实验结果表明,温度误差补偿前的重力值测量最大误差为3.62×10-4g,而温度误差补偿后重力值测量误差小于1×10-5g;同时,温度误差补偿前系统3 h纯惯性导航最大定位误差为1186 m,而温度误差补偿后最大定位误差小于600 m,从而表明提出的外场标定方法的有效性。     

基于小波最小二乘支持向量机的加速度计温度建模和补偿

针对环境温度影响加速度计测量精度的问题,给出了温度对石英挠性加速度计零偏和标度因数的影响机理,提出采用小波最小二乘支持向量回归建立石英挠性加速度计零偏和标度因数的温度模型的方法。为了验证模型的有效性,进行了多个温度点下的参数标定试验,所获取的各温度点下的石英挠性加速度计零偏和标度因数作为小波最小二乘支持向量机模型的训练数据;将石英挠性加速度计固定在某一位置进行了升温试验,通过对比未进行温度补偿、最小二乘温度补偿和小波最小二乘支持向量回归温度补偿下石英挠性加速度计的输出,计算结果表明采用小波最小二乘支持向量机补偿后的石英挠性加速度计的测量精度最高。     

激光陀螺捷联惯导系统外场快速标定新方法

针对激光陀螺具有标度因数稳定、漂移误差变化小的特点,建立了适合激光陀螺捷联惯导系统的陀螺及加速度计组件简化误差参数模型,推导出了适合激光陀螺捷联惯导系统外场快速自标定的误差模型,设计了激光陀螺捷联惯导系统9位置系统级标定方法,并通过试验验证了该方法可快速准确的标定出加速度计组件的标度因数、安装误差、零偏及激光陀螺安装误差等15个主要参数,方法简单易行。     

基于速度阻尼的双轴旋转式激光陀螺捷联惯导标定方法

惯性元件参数的长期稳定决定着惯导系统的精度,目前对于激光陀螺捷联惯导系统(RLG-SINS)主要是采用系统级旋转调制技术来实现高精度导航能力,同时系统级旋转也提高了初始对准精度以及惯性元件误差的可观测性。针对激光陀螺惯导系统惯性元件误差项的特点,同时结合分立式标定与系统级标定各自的优势,设计了一种水平阻尼模式下的Kalman滤波方案,利用双轴旋转机构,通过观测导航位置误差来实现初始对准以及部分惯性元件误差参数的标定,可以有效地减小惯性元件逐次启动误差对导航精度的影响。仿真结果表明,系泊状态零速度阻尼模式下工作4 h,可以标定出石英加速度计标度因数误差、零偏与激光陀螺零偏,共计9项误差参数。加速度计零偏估计误差小于2%,陀螺零偏估计误差小于8%,误差估计精度满足高精度惯性导航要求,该方法具备一定的工程实用性。     

基于自适应UKF算法的MEMS陀螺空中在线标定技术

为保证微型卫星定位应用中系统精度与稳定性,需要对姿态传感器进行实时在线标定.在无外界姿态参考时,提出一种用三轴磁强计测量值来实时估计MEMs陀螺的零漂误差的方法,采用UKF滤波算法,将陀螺漂移作为滤波状态向量,通过建立三轴磁强计测量微分方程,作为系统量测方程实现陀螺漂移的最优估计.针对磁强计测量信息易受干扰导致滤波量测模型不准确的问题,将自适应因子引入到UKF中,通过在线监控和调整测量误差,减少陀螺标定的估计误差,增强系统性能.实验结果表明,经过标定,MEMS陀螺精度提高约30%,并且在磁强计有外界干扰时,陀螺的标定结果收敛.将标定后的MEMS陀螺进行姿态解算,其动态误差小于2°.     

利用ESO和TD进行的激光捷联惯组误差参数外场标定方法

对外场条件下激光捷联惯组9个误差参数的标定问题进行了研究,包括加速度计零偏、加速度计标度因数误差以及陀螺零偏。对外场静基座条件下9个误差参数的可观测性进行了分析,并且从理论上推导出在不需要其他外界基准信息的前提下,仅根据导航速度误差和位置误差来完成9个误差参数标定的最少位置数,给出了一种利用扩张状态观测器(ESO)和跟踪微分器(TD)提取导航速度误差的微分信息,从而快速估计惯组9个误差参数的算法。用一组可行的多位置编排进行了惯组的9个误差参数标定的仿真验证,结果表明,该算法简单,精度高,易于在外场实现。     

航位推算组合导航系统在线标定技术

在航位推算组合导航系统中,存在里程计安装偏差角误差和标度因数误差。推导了里程计安装偏差角误差和标度因数误差对航位推算速度和位置精度的影响,并提出了一种航位推算组合导航系统在线标定算法。该算法利用航位推算的速度与GPS的速度之差作为速度量测,航位推算的位置与GPS的位置之差作为位置量测,对航位推算组合导航系统的姿态误差、安装偏差角误差和标度因数误差进行有效估计,并通过仿真试验和车载试验对该算法的有效性进行了验证。试验结果表明,通过车载试验在线标定出的里程计各误差参数与里程计传统标定法标定的结果接近,且该算法计算量小,具有一定的工程应用价值。     

外场条件下激光捷联惯组多位置标定方法精度分析

从标定算法误差和位置编排对标定精度的影响两个方面对外场激光惯组多位置标定方法的标定精度进行了分析。证明多位置标定中由粗对准姿态角代替精确姿态角所产生的误差为二阶小量,而对加表等效天向误差和陀螺等效北向误差的估计误差会直接影响标定精度。数学仿真表明对于加表零偏10-4g,加表标度因数10-4和陀螺零偏10-2 deg/h数量级的激光惯组,该多位置标定方法的估计精度高于相应误差参数本身2个数量级,说明该方法具有较高精度。在优化位置和非优化位置条件下,多位置标定方法精度的仿真结果在同一个数量级,说明该多位置标定方法对位置编排不敏感。     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。     

A “telescopic” system in the calibration problem for strapdown inertial navigation systems

An algorithm for the bench calibration of strapdown inertial navigation systems is studied. This algorithm was developed at the Moscow Institute of Electromechanics and Automatics. A mathematical model for the calibration process is constructed. A method for representing the original calibration problem in the form of a standard estimation problem is proposed with the aid of a so-called “telescopic” system. On the basis of the original algorithm, a new calibration algorithm is constructed; this new algorithm allows one to improve the estimation accuracy for the parameters of accelerometer and gyroscope units. The maximum attainable estimation accuracy for these parameters is determined.     

精密离心机主轴回转误差对加速度计输入精度的影响

介绍了用4个位移传感器法测试精密离心机主轴径向回转误差和倾角回转误差的方法，计算了主轴回转误差中一次谐波，它包括圆锥运动和一次谐振运动，对一次谐波如何影响精密离心机中的向心加速度及其在加速度计坐标系下的分配作了详细分析，同时对重力加速度分配的影响也作了详细的分析。最后得出了被测加速度计的输入加速度的平均值的补偿方法，进一步提高了加速度计的输入精度。通过对离心机主轴回转误差运动的检测和测试，定量分析了对加速度计输入精度的影响，有助于提高加速度计的标定精度。     

基于遗传算法的加速度计免转台标定方法

针对现有的加速度计标定方法依赖于昂贵的仪器设备,导致标定成本高,提出一种低成本、操作简单的加速度计免转台标定方法。该方法通过对原始数据进行预处理,将标定问题转化为优化问题,采用遗传算法进行最优化求解得到补偿参数。通过对比试验得到:两种方法的标定相对误差在0.5%(标度因素)、3%(零偏);两种方法标定后通过加计姿态角提取的水平角误差在0.2°左右。结果表明,加速度计通过该方法经过补偿后,能够得到与传统转台标定方法相同数量级的测量精度,该方法可以有效替代传统标定方法,简化标定步骤,降低标定成本,具有重要的理论及使用价值。     

惯性测量组件整体标定技术

研究了惯性测量组件中陀螺与加表的标度系数、零偏、安装耦合误差等的标定问题。建立了陀螺与加表的输入输出模型,提出了在三轴摇摆转台上利用六位置试验法对加表标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法;提出了在三轴摇摆转台上利用正负对称的多组速率试验法以及最小二乘法对陀螺标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法,以及利用六位置试验对陀螺与g有关量进行标定的方法。详细介绍了组件输出参数的测量方法并推导误差计算公式。理论分析表明,该方法可在三轴转台上通过位置与速率试验一次性标定出测量元件的相关误差,具有一定的工程应用价值。     

光纤捷联惯导系统高阶误差模型的建立与分析

针对多位置标定算法中利用的陀螺和加表的误差模型,在捷联惯导系统误差传播方程中,考虑陀螺和加表的标度因数误差和安装误差,建立了一种高阶误差模型。为了评价该模型的准确性,将其与不考虑标度因数误差和安装误差的模型比较,设计了系统静态和动态仿真实验。在系统静态仿真中,分别加入陀螺漂移和加表安装误差,而在动态仿真中同时加入各项误差项,求取以这些误差项为初值的模型微分方程的解,使其与惯导系统输出误差进行比较。仿真结果发现,建立的高阶误差模型比不考虑标度因数误差和安装误差的模型精度高出约三个数量级。     

捷联惯导系统多位置对准研究

利用把线性时变系统作为分段常系数系统来研究其可观性的方法,对多位置静态捷联惯导系统的误差方程进行了可观性分析,并采用卡尔曼滤波技术,对平台误差角及测量元件误差进行了估计,给出了两位置及三位置的方差仿真曲线。仿真结果表明三位置对准提高了方位误差角及垂直陀螺误差的可观度,从而加速了它们的收敛速度,提高了系统的对准、标定精度。     

低成本IMU的多位置旋转现场标定方法

针对低成本IMU的系统误差难以现场快速标定问题,提出了一种无需任何外部设备辅助的多位置旋转现场标定方法。该方法通过比力加速度与重力建立加速度计的误差模型,基于动态旋转以及标定后的加速度建立导航方程实现陀螺仪误差建模,使用改进的LM算法,实现低成本IMU误差参数的快速标定。实验结果表明:该方法可以有效地标定出加速度计和陀螺仪的安装误差、缩放因子和零偏误差,极大地简化了标定的过程,标定补偿后的IMU原始数据质量大幅提高,在100 s的静态导航试验中,x、y、z的定位精度分别从2541.547m、895.191m、7267.507m提升至80.229m、41.430m、99.832m。