本發(fā)明涉及半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)，具體是一種旋轉(zhuǎn)式半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)誤差抑制方法。

背景技術(shù)：

半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)是一種微體積、低成本、高可靠性的高速旋轉(zhuǎn)彈藥飛行姿態(tài)精確測量系統(tǒng)。然而受高速旋轉(zhuǎn)彈藥高過載、高旋轉(zhuǎn)、高動態(tài)、狹窄空間等特殊應(yīng)用環(huán)境制約，使得適合該環(huán)境應(yīng)用的慣性器件只有MEMS陀螺儀和MEMS加速度計，而這類慣性器件精度普遍不高，且穩(wěn)定性較差，致使現(xiàn)有的半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)精度相對較低(MEMS陀螺儀的常值漂移是影響半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)精度的主要誤差源)，1°的姿態(tài)測量精度是目前半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的一個極限，而1°的姿態(tài)測量精度只能用于簡單的彈道修正，無法滿足0.1°甚至更高精度的旋轉(zhuǎn)彈精確制導(dǎo)需求。因此，如何進一步提高半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的精度，成為半捷聯(lián)微機械慣性系統(tǒng)真正得以推廣應(yīng)用的瓶頸問題。盡管研發(fā)新的更高性能的MEMS慣性器件是解決這一問題最直接有效的方法，但是受目前MEMS慣性器件加工制造工藝水平、高性能檢測電路集成設(shè)計、高可靠性封裝等諸多因素制約，其精度提升空間短期內(nèi)并不大。為此，有必要在半捷聯(lián)微慣性測量方法與MEMS慣性器件既定條件下，另辟蹊徑地找到一種提高半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)精度的有效方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的精度無法進一步提高的問題，提供了一種旋轉(zhuǎn)式半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)誤差抑制方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種旋轉(zhuǎn)式半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)誤差抑制方法，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：

步驟S1：定義半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)所對應(yīng)的坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系，簡稱b'系；定義彈體坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系，簡稱b系；定義當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，簡稱n系；定義IMU坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點位于系統(tǒng)中的IMU的幾何中心，該坐標(biāo)系的三個敏感軸分別指向IMU的三個敏感軸方向，該坐標(biāo)系簡稱s系；假設(shè)在初始時刻，s系、b系、b'系重合；

步驟S2：通過系統(tǒng)中的大量程MEMS陀螺儀實時測得彈體的轉(zhuǎn)速信息，并將彈體的轉(zhuǎn)速信息發(fā)送至系統(tǒng)中的控制電路；控制電路根據(jù)彈體轉(zhuǎn)速信息控制系統(tǒng)中的伺服電機以一定的角速率反向旋轉(zhuǎn)，由此使得IMU相對慣性坐標(biāo)系處于微旋狀態(tài)；

步驟S3：通過系統(tǒng)中的光電編碼器實時測得軸向上彈體的旋轉(zhuǎn)角度與IMU的微旋角度之差然后根據(jù)Δγ_bb'得到b'系到b系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

步驟S4：根據(jù)得到b'系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

式(2)中：表示b系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；ψ、θ、γ分別表示b系相對n系的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角；

步驟S5：通過IMU實時敏感到b'系相對于n系的角速率并通過系統(tǒng)中的導(dǎo)電滑環(huán)將發(fā)送至控制電路，由此得到b'系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

步驟S6：控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸先以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)，再以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)，由此得到：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，s系到b'系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，s系到b系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在b系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

同理得到：當(dāng)IMU以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

步驟S7：將式(3)分別代入式(7)和式(8)中，由此得到：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

當(dāng)IMU以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

步驟S8：控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸以角速率正向旋轉(zhuǎn)360°，由此得到：

在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(11)中：T表示IMU以角速率正向旋轉(zhuǎn)360°所用的時間；

控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸以角速率反向旋轉(zhuǎn)360°，由此得到：

在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(12)中：T表示IMU以角速率反向旋轉(zhuǎn)360°所用的時間；

式(11)-(12)中：和均表示旋轉(zhuǎn)調(diào)制角速率；和大小相等、方向相反；

步驟S9：根據(jù)式(1)-(12)得到：在一個完整的正反轉(zhuǎn)周期T'內(nèi)，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(13)中：T'＝2T。

本發(fā)明所述的一種旋轉(zhuǎn)式半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)誤差抑制方法基于半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)軸向微旋、徑向固聯(lián)的特點，采用閉環(huán)反饋控制方法將微旋狀態(tài)下IMU敏感到的滾轉(zhuǎn)軸角速率反饋到控制電路中，然后由控制電路控制IMU以旋轉(zhuǎn)調(diào)制所需角速率旋轉(zhuǎn)，從而將MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差調(diào)制成均值為零的效果(利用本發(fā)明的思路也可將MEMS加速度計的零偏引起的位置誤差調(diào)制成均值為零的效果)，由此在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、不增加系統(tǒng)體積、以及節(jié)約成本的前提下進一步提高了半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的精度，從而進一步提高了高速旋轉(zhuǎn)彈藥的飛行姿態(tài)測量精度，進而滿足了旋轉(zhuǎn)彈精確制導(dǎo)需求。

本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的精度無法進一步提高的問題，適用于高速旋轉(zhuǎn)彈藥的飛行姿態(tài)測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中IMU的旋轉(zhuǎn)示意圖。

圖2是本發(fā)明中半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-伺服電機，2-大量程MEMS陀螺儀，3-控制電路，4-導(dǎo)電滑環(huán)，5-IMU，6-光電編碼器。

具體實施方式

一種旋轉(zhuǎn)式半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)誤差抑制方法，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：

步驟S1：定義半捷聯(lián)微慣性測量系統(tǒng)所對應(yīng)的坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系，簡稱b'系；定義彈體坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系，簡稱b系；定義當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，簡稱n系；定義IMU坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點位于系統(tǒng)中的IMU的幾何中心，該坐標(biāo)系的三個敏感軸分別指向IMU的三個敏感軸方向，該坐標(biāo)系簡稱s系；假設(shè)在初始時刻，s系、b系、b'系重合；

步驟S2：通過系統(tǒng)中的大量程MEMS陀螺儀實時測得彈體的轉(zhuǎn)速信息，并將彈體的轉(zhuǎn)速信息發(fā)送至系統(tǒng)中的控制電路；控制電路根據(jù)彈體轉(zhuǎn)速信息控制系統(tǒng)中的伺服電機以一定的角速率反向旋轉(zhuǎn)，由此使得IMU相對慣性坐標(biāo)系處于微旋狀態(tài)；

步驟S3：通過系統(tǒng)中的光電編碼器實時測得軸向上彈體的旋轉(zhuǎn)角度與IMU的微旋角度之差然后根據(jù)Δγ_bb'得到b'系到b系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

步驟S4：根據(jù)得到b'系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

式(2)中：表示b系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；ψ、θ、γ分別表示b系相對n系的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角；

步驟S5：通過IMU實時敏感到b'系相對于n系的角速率并通過系統(tǒng)中的導(dǎo)電滑環(huán)將發(fā)送至控制電路，由此得到b'系到n系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣具體表示為：

步驟S6：控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸先以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)，再以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)，由此得到：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，s系到b'系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，s系到b系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在b系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

同理得到：當(dāng)IMU以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

步驟S7：將式(3)分別代入式(7)和式(8)中，由此得到：

當(dāng)IMU以角速率ω₊正向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

當(dāng)IMU以角速率ω_-反向旋轉(zhuǎn)時，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移被調(diào)制為：

步驟S8：控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸以角速率正向旋轉(zhuǎn)360°，由此得到：

在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(11)中：T表示IMU以角速率正向旋轉(zhuǎn)360°所用的時間；

控制電路通過伺服電機控制IMU繞滾轉(zhuǎn)軸以角速率反向旋轉(zhuǎn)360°，由此得到：

在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(12)中：T表示IMU以角速率反向旋轉(zhuǎn)360°所用的時間；

式(11)-(12)中：和均表示旋轉(zhuǎn)調(diào)制角速率；和大小相等、方向相反；

步驟S9：根據(jù)式(1)-(12)得到：在一個完整的正反轉(zhuǎn)周期T'內(nèi)，在n系下，MEMS陀螺儀的常值漂移引起的姿態(tài)角誤差為：

式(13)中：T'＝2T。