惯导系统中三轴加速度计标定的模型和算法

Inertia navigation systems, an important self-navigation device, must go throught the accelerator calibration process before starting its working condition. Accurate calibration model and algorithm help to avoid the navigation error propgation along time and play a crucial role to determine the systems accuracy. In this project, we aim to cominbe the theoretical and engineering strategies to study the calibration model and algorithm for three-axes accelerator both from the component level and ystems level. Specifically, we will develop new method for component based calibration with multiple factors and locations. The relaitonship between navigation error and accelerator model error under static state will be revealed and the obesevability will be stuided. Furhtermore, we will take into account the nativation error and design control strategy based on the observability and the H∞filter based nonlinear parameter estimation algorithm. As a result, we expect to design calibration scheme both at component level and system level for highly accurate accelerator and we will propose the correspoinding parameter estimation algorithm with high efficiency and robustness. We believe that our method can be applied in the inertia platform of Tsinghua University and the accuracy will be further improved with feedback from practical results. Therefore, our proposal has broad and significant impact in national ecnomics and national defense.

惯性导航系统作为非常重要的自主式导航装置，在进入工作状态之前必须对其核心元件加速度计进行标定。准确的标定模型和算法将避免导航误差随时间的积累放大，对保证系统精度至关重要。本项目采用理论研究和工程实践结合的思路针对平台式高精度惯导系统中的三轴加速度计标定模型和算法开展研究。将从分立级和系统级两个层面研究加速度计在惯导平台上的标定方法。具体研究内容包括：惯导平台设备误差等因素下多位置分立标定加速度计的方法；惯导系统系泊状态下加速度计模型误差与导航误差之间的关系，以及模型可观测度分析；利用导航误差信息，设计基于观测器思想的动态控制器方法、H∞滤波等非线性最优估计算法。预期将设计高精度加速度计的系统内分立级和系统级两个层次的标定方案和高效稳健的状态估计算法，并应用于清华大学惯导平台的工程实践中，提高加速度计标定精度。本项目研究对国防军事、国民经济均具有重要意义。

本项目采用理论研究和工程实践结合的思路针对平台式高精度惯导系统中的三轴加速度计标定模型和算法开展研究。以标定误差小于2e-6 g为目标，从分立级和系统级两个层面研究加速度计在惯导平台上的标定方法。具体研究内容包括： ..1.多位置分立标定加速度计 .多位置法是以框架角传感器输出为转位基准。研究中发现温度、框架角度读出传感器函数误差、零位误差及框架轴不正交度对标定精度影响较大，考虑这些因素并建立了23系数加表标定模型。为避免过拟合，对8组测试数据进行了交叉验证，得出23系数模型能更准确地给出加表系数。..2.系统级加速度计标定.系统级加速度计标定是以导航仪工作状态下的信息为基准。进行了五方面的研究。..2.1静基座或系泊状态下用台体加速度误差.忽略由陀螺漂移引起的台体坐标系中加速度的小量变化，空间稳定平台的台体坐标系中的加速度是已知的，本方法以此为基准进行加表标定。共可估计出9个系数。应用两次总长26天的实验数据补偿了加表模型，此方法虽受到陀螺漂移误差的影响，但方法简单，可作为加表定期精度摸底用。..2.2静基座工作时用框架角信息.静基座下，平台加速度可由框架角算出。以此为基准，共可估计出9个系数。但此方法受框架角零位偏差、测角精度影响。..2.3静基座或系泊状态下利用横滚角和俯仰角误差.在静基座或系泊状态下，横滚角和俯仰角已知，以此为基准，可分离出3个零偏、两个标度因数线性组合。实验数据表明参数估计精度可达2e-5 g量级。..2.4静基座或系泊状态下利用经纬度误差和冗余轴转角.定点状态下，经纬度是已知的，利用此信息和冗余轴转角信息，可估计出包含加表误差、陀螺及初始不对准角误差在内的17个参数，试验数据表明参数估计精度可达2e-5 g量级。..2.5 多纬度、基于比力模观测.此方法具有对陀螺漂移误差不敏感的优点。借助网格法探讨了加速度计误差参数的可观测性条件，得到可分别标定6个和9个加速度计参数的两位置法和限定三位置法。通过最小化观测矩阵的条件数，优化了两类标定方法的平台布局方案。计算机仿真结果表明，限定两位置法和限定三位置法的标定精度可达1e-6 g量级，方法可行、简便、经济，具有较强的工程应用潜力。.本项目研究对国防军事、国民经济均具有重要意义。.