旋转惯导中加速度计尺寸效应误差分析及补偿

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronaut／caSin／caJun．252013V01．34No．61424—1435ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．ca旋转惯导中加速度计尺寸效应误差分析及补偿任磊1’2，杜建邦1’2一，王美娥1’21．北京航天自动控制研究所，北京1008542．宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京100854摘要：对旋转调制惯导转位过程中系统精度受加速度计尺寸效应影响的问题进行了研究。通过分析尺寸效应引起惯导系统(INS)导航误差的机理，推导了尺寸效应作用下

2、加速度测量误差与速度误差的解析表达式。根据理论分析结果，分别给出了以速度误差和加速度误差作为观测量进行尺寸参数辨识的方法，并进行了必要讨论。结合旋转惯导转位过程中的速度误差特征，选取加速度测量误差为观测量对尺寸参数进行试验标定，尺寸参数辨识精度优于1．29ram(1盯)。在此基础上给出了尺寸效应误差补偿方法，并在不同初始方位下对补偿效果进行试验验证，结果表明，通过尺寸效应补偿可以有效提高旋转惯导转位过程中的速度精度。关键词：旋转；调制；惯导系统；加速度计；尺寸效应；误差分析；误差补偿；惯性测量单元中图分类号：V249．32+2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)06

3、—1424—12旋转调制作为一项系统级的误差抑制技术，在国外已得到广泛研究和应用[1。2]。近几年，旋转调制技术也成为国内惯性技术领域的研究热点[3“]。利用旋转调制可以抑制惯性仪表的慢变漂移，大幅度提高长航时惯导系统的精度，但同时也应注意到，人为引入的转动也会带来新的误差，对这些误差的产生机理进行深入分析并提出相应的补偿方法可以使这项技术在工程上的应用更加完善。理想情况下，惯导系统(INS)中加速度计的有效测量点应与载体的转动中心重合。然而，加速度计实际的物理尺寸以及安装误差等因素使得3个加速度计的有效测量点不可能同时处于转动中心，因此，转动产生的向心加速度和切向加速度会引起加速度

4、计的测量误差，积分后形成速度和位置误差，即尺寸效应误差。文献E7]对一般捷联惯导中的尺寸效应进行了分析，但未给出具体的尺寸参数辨识方法。文献E83～文献[IO]对尺寸效应误差补偿方法进行了研究，但这些研究都是在尺寸参数精确已知的条件下完成的。另外，文献[1i]～文献[13]对无陀螺惯导系统进行了研究，其本质是利用加速度计组件的尺寸效应计算载体的角速度和角加速度，实现惯性导航。对于旋转惯导，人为引入的转动会带来额外的尺寸效应误差，特别是转动过程中会产生较大的速度误差。这对于以速度作为观测量进行对准[141或以速度为状态量进行组合导航等对速度精度要求较高的应用场合会有较大的影响。为此，本

5、文着重对旋转惯导中由于人为引入转动而产生的尺寸效应进行研究，所采用的研究方法也适用于一般惯导系统中尺寸效应的分析。收稿日期：2012—11—06；退修日期：2012—12—02；录用日期：2013-01—23；网络出版时间：2013-02-2115：45网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201302211545003．htmI*通讯作者．Tel．：010-88527647E-mail：dujianban92005@yahoo．com．ca}

6、用格式tRenL．DuJB．WangME，Erroranalys，sandcompensati

7、onofsizeeffectinINSwithIMUrotation．ActaAeronaut／caetAstronauti-caSin／ca．2013．34(6)：1424—1435．任磊，杜建邦，I美娥?旋转惯导中加速度计尺寸效应误差分析及补偿。航空学报．2013。34(6)：1424．1435。任磊等：旋转惯导中加速度计尺寸效应误差分析及补偿1坐标系及其相对运动关系尺寸效应分析中涉及如下5个坐标系：地心惯性坐标系i；地球坐标系e；导航坐标系n，取为当地东北天地理坐标系；载体坐标系P；惯性测量单元(IMU)坐标系b，以三轴加速度计的实际敏感轴定义。记载体坐标系原点0p为导航参考点

8、，导航坐标系原点。n与Op重合(位于旋转轴上)。不考虑高度变化，引入旋转调制后几个坐标系的相对运动关系为：e系相对i系做定轴转动；n系随地球一起相对i系做定轴转动，同时，由于载体的运动，n系绕东向和北向相对e系转动；P系相对n系做定点转动；b系相对p系做定轴转动，即人为引入的旋转。为方便推导，首先在载体相对地球静止的状态下对尺寸效应引起的导航误差进行分析和理论推导，并在此状态下进行尺寸参数的标定和尺寸效应补偿效果的验证，最后讨论载体运动时的尺寸效应补偿方法