文摘

为了提高捷联惯性导航系统的精度(罪),减少传统的标定方法的复杂性,一个新颖的校准和补偿方案。优化标定方法与方向的旋转是为了计算所有环形激光陀螺仪的误差系数()罪在一系列的恒定温度。根据实际工作环境,针对罪恶的温度误差补偿的非线性插值补偿算法。实验结果表明,该方法的惯性导航错误减少。

1。介绍

运动误差补偿基于高精度位置和姿态系统(POS)是一种有效途径提高成像质量的干涉合成孔径雷达(SAR)1,2]。捷联式惯性导航系统(SINS)的POS是固定的天线SAR在飞机机舱;因此,测量结果很容易受到极端温度环境的影响。因此,准确的校准和补偿方法,罪有必要提高测量精度和环境适应性的罪(3]。

罪的核心传感器陀螺仪和加速度计;旋转的陀螺仪敏感率,对加速度和加速度计敏感。所以,罪恶的精度取决于陀螺仪和加速度计的精度。罪的传统校准方法包括静态多位置标定方法(4),旋转速度标定方法(5动静混合标定方法[],6),等等。在所有方法中,静态多位置标定方法可以准确标定的误差系数加速通道,而角速率信道误差系数的准确性很低。另一方面,传统的转速校正可以提高精度的角速率信道误差系数,但会降低加速度通道的精度。文献[7)提出了一个24点动静混合标定方法。的方法提高了精度校准系数两个频道,但增加的复杂性校准。它是罪恶的另一个关键技术,找到一个更好的方法来减少复杂性和校准的误差在同一时间。

此外,工作环境温度的变化也能减少罪恶的精度显著(8,9]。线性拟合方法通常是用于补偿温度惯性设备的错误偏见和规模的因素。该方法容易实现,而补偿的精度很低。等非线性方法,高阶最小二乘近似方法和径向基函数(RBF)神经网络方法,提高精度的罪,但他们不能满足实时处理的要求,因为大量的计算。它是罪恶的另一个关键问题解决之前的冲突。根据理论分析和实验数据,温度的标定和补偿方法和动态误差的罪研究本文优化标定方法和方向的旋转和非线性插值补偿法提出了罪在全温度范围。

2。针对误差建模的罪恶

2.1。误差建模的角速率通道

犹豫环形激光陀螺仪()不敏感的重力加速度。考虑到规模因素,偏见,和偏差错误,角速率通道的误差模型是写成 在哪里 和 陀螺仪输出和偏见吗 轴, 是输入合理的利率, 陀螺仪比例因子, 是角速率的失调误差通道,在哪里 ; 。

2.2。误差建模的加速度通道

根据石英机械加速度计的特点(QMA),加速通道的误差模型可以给出的罪 在哪里 针对激光的加速度计输出的罪在吗 轴, 是加速度计输入, 加速度计的偏见, 是加速度比例因子, 是加速度的失调误差通道,在哪里 ; 。

3所示。优化标定方法与方向的旋转

提高测量精度的陀螺罪主要是受温度变化的影响,改变利率,和温度的梯度。机载SAR的工作温度与飞行高度变化很大。与温度变化相比,梯度和温度变化率everyprocession机载成像期间不会改变太多。不同温度的影响,提高精度的陀螺主要研究了罪。校准温度的范围可以根据设置的实际工作环境和准确性的要求。

根据针对罪恶的误差模型,优化标定方法与方向的旋转是专为针对罪与温度控制和基于单轴转台高精度六面体的夹具。校准过程中,罪在六面体的固定夹具将在每个温度点,四次推翻的 , , 轴的罪叠加 轴和 转盘轴( 轴点的地理坐标系统)。在每个方向,转盘旋转的角度 与 的周期数。当 设在指导第一方向如图1的输入角速率可以由三个传感的轴 在哪里 是地球的自转速率。 是当地的纬度。 输入旋转的转盘。 是针对IMU的主管。的输入加速度可以由三个传感的轴


图1
一个优化方向的旋转速度与温度控制使用单轴转台标定方法。

输入角速率和加速度的均值在第一个方向可以获得

角速率的系统状态方程的渠道针对罪在优化校准可以表示为 在哪里 输入角速率; 。 陀螺仪输出在 轴的 方向, ; 。加速通道的系统状态方程可以给出的针对的罪恶 在哪里 的输出是什么我轴上的加速度计 方向。根据(6)和(7),角速率和加速度的误差系数可以计算针对渠道的罪

4所示。非线性插值补偿温度的错误

针对激光和QMA对温度敏感,和提高精度的陀螺的罪是有限温度错误。通常采取两个措施来解决这个问题: 采用温度控制技术来降低温度的变化(10]; 建立温度误差的数学模型,基于测试数据的分析和使用温度补偿算法,以减少错误11]。第一个方法是不利的高成本和增加针对罪的大小和重量。由于简单的实现和有效性,第二种方法吸引了很多研究者的关注。第二种方法是通过分析测试数据采样的实现针对罪找到针对激光的输出之间的隐藏关系罪和外部温度。

传统的误差补偿方法包括线性拟合方法和RBF神经网络方法。线性拟合方法通常用于发现数据的隐藏的法律。尽管该方法最少的计算,它不满足精度需求。其他非线性近似方法,如高阶最小二乘近似法和RBF神经网络的方法,可以提高精度的罪,但他们增加的计算量。由于该算法的复杂性,提高这些方法不适合实时处理陀螺POS。

考虑到精度和计算量,低阶非线性插值法用于补偿温度的针对错误的罪恶。该方法将温度划分为几个小的间隔,并使用在每个间隔分段线性插值。由于针对的闭环控制,比例因子误差很小。针对罪恶的比例因子温度误差补偿是不必要的。被认为是一系列校准温度点 。如果工作温度 ( ),给出了分段线性插值算法针对温度错误的偏见可以表示如下:

加速度计的温度误差因素由偏见和规模

5。实验和结果

5.1。标定实验针对的罪恶

针对激光罪硬件包括一个惯性传感装置(ISA),电源模块,八吸收器,I / F转换电路,数据采集和处理模块,如图2。ISA包括三个针对激光和三个qma聚集在一个支持结构。数据采样和处理模块完成数据采样的针对罪,数据过滤、同步、误差补偿、和实时惯性导航算法。抽样数据被发送到组合导航计算机通过RS422串行端口,和卡尔曼滤波器用于罪恶/全球定位系统(GPS)组合导航。综合导航数据被发送到机载SAR实现实时的运动误差补偿。此外,原始数据后处理的罪恶和GPS可以恢复提高组合导航的精度和平滑结果和更高的SAR图像分辨率。


图2
针对激光POS的硬件组件和操作原则。

根据针对POS的实际工作环境和精度要求,校准实验进行的温度点−25°C,−10°C, 5°C, 20°C, 30°C, 40°C。针对激光的罪是固定在六面体的夹具的中心,和 , , 轴垂直的基准面转盘分别如图1。校准实验实现通过把六面体的夹具,这是放置在单轴转台与温度控制,如图3。


图3
温度控制的单轴转台标定实验。

根据(6)- (8)、加速度的误差系数和角速率通道可以校准。陀螺仪偏差随温度变化的曲线如图所示4和加速度计的偏见和规模因素的曲线随温度变化如图5。相比传统的24点混合标定方法不考虑温度效应,该方法的校准时间从约3小时下降到1.5小时。没有必要调整温度传感器。自加热POS,传感器的温度高于环境温度,如图4和5。加速度陀螺仪偏见,偏见,和比例因子是非线性的温度。


图4
随着温度变化曲线的陀螺仪的偏见。

图5
曲线的加速度计偏差和比例因子随温度变化。
5.2。性能测试针对的罪恶

为了验证本文提出的方法,该方法和传统的24点动静混合标定方法分别用于校正系数,然后进行车辆实验和机载实验。针对激光POS是固定不动的大理石平台上实验车辆。GPS天线wasfitted上方的车辆,GPS接收器是放在车里。POS权力被打开。首先,车辆为300秒,停在一个位置和数据采样初始对准。然后,车辆驱动沿线布局超过3600秒。两组测试是用每个方法进行的。

比较汽车导航实验结果与GPS定位结果,惯性导航的精度测量两种方法如表所示1。实验结果表明,该方法的惯性导航平均误差减少到0.594海里/小时1.850海里/小时车辆实验。实验验证了该方法的实用性和有效性。

表1
3600秒的位置错误的惯性导航车辆实验。

6。结论

提出了一种优化标定方法提高与方向的旋转陀螺罪与温度控制和基于单轴转台高精度温度完全六面体的夹具。相比传统的24点动静混合校正和线性拟合方法,该方法的惯性导航的平均错误减少到0.594海里/小时从1.850海里/小时车辆实验。实验结果验证了该方法的实用性和有效性。

确认

工作的部分赞助由中国国家重点基础研究项目计划在2009 cb724000格兰特,演员CAST201205创新基础,并在一定程度上由中国国家自然科学基金会资助下号。60904093,50975049,60905056,61004140,61273033。