一种基于参考面的MEMS惯导系统快速对准方法

技术领域

本发明属于MEMS惯性测量技术领域，具体涉及一种基于参考面的MEMS惯导系统快速对准方法。

背景技术

随着现代化和自动化的不断发展，低成本、高精度、模块化和高集成度的惯性导航定位系统在民用及军事领域的需求也越来越强烈。伴随着半导体技术和传感器技术的不断发展，MEMS惯性传感器件应运而生。MEMS惯性测量单元包括MEMS陀螺仪及MEMS加速度计，可实现姿态信息的实时测量，但是单独依靠MEMS惯性测量单元进行姿态解算的过程中，姿态更新不可避免的存在累积误差，进而降低姿态测量精度。而应用MEMS惯导系统的海上使用设备需要一定保持时间内维持对应精度水平。同时，传统的零速修正、互补滤波等方法不适用于航行过程中的高精度姿态测量，因此需要设计一种可短时间内有效抑制因MIMU漂移导致的姿态误差发散的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于参考面的MEMS惯导系统快速对准方法。

一种基于参考面的MEMS惯导系统快速对准方法，包括：

步骤一：在舰船船体上固定一个参考面，然后将MEMS惯导系统载体固定在参考面上，进入快速对准模式；

步骤二：完成步骤一后，MEMS惯导系统载体与参考面进行设定时间的相对静止状态；

步骤三：在相对静止状态中，采集主惯导陀螺仪的角速度输出值和MEMS惯导陀螺仪的角速度输出值，并进行MEMS的零偏漂移估计，得到零偏漂移值ε；

步骤四：将主惯导姿态矩阵传递给MEMS惯导子惯导：

式中，

步骤五：在后续的实际舷角测量过程中，首先使用步骤三计算的零偏漂移估计值对MEMS-IMU的陀螺仪的角速度输出值进行修正；

然后利用修正后的MEMS-IMU的陀螺仪角速度输出值和步骤四传递的姿态矩阵

较佳的，所述步骤三中，MEMS陀螺零偏漂移值的计算过程包括：

式中，

较佳的，所述设定时间为5分钟。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种基于参考面的MEMS惯导系统快速对准方法，在海上动态条件下利用安装状态已知的参考面，使用MEMS陀螺零偏估计能对MEMS的器件误差进行补偿，并使用主惯导姿态进行赋值，可以实现动态条件下的MEMS高精度对准，延长导航精度保持时间。

附图说明

图1为本发明的参考面在舰船船体上停靠的示意图；

其中，1-舰船船体，2-MEMS惯导系统载体，3-MEMS惯导系统，4-参考面。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

目前现有的MEMS惯性测量单元进行姿态解算过程如下：

选“东-北-天”地理坐标系作为捷联惯导系统的导航参考坐标系，后面记为n系，则以n系作为参考系的姿态微分方程为

其中，矩阵

其中，

式中，ω

与矩阵微分方程

根据矩阵链乘规则，有：

式中，角标括号中的符号m表示t

根据姿态阵微分方程

其中，矩阵

将式(6)和(7)代入式(5)，得

其中，

通常在导航更新周期[t

结合公式(11)和公式(8)即可获得当前时刻MEMS在导航系下的姿态旋转矩阵

由于MEMS惯导系统载体此时停靠在参考平面上，可以认为MEMS惯导系统此时的姿态与参考面重合，因此可以获得修正后的MEMS惯导系统的方向余弦矩阵和航向角：

式中，head表示当前时刻的MEMS航向。将该航向与主惯导航向的差值作为被测目标的舷角测量值。

本发明为了进一步提高装置舷角测量精度的保持能力，在快速对准过程中利用主惯导发送来的陀螺原始角速率和MEMS惯导本身的原始角速率的差异，对MEMS陀螺的零偏进行估计，从而在后续的惯导解算过程中对原始角速率进行修正，具体过程包括：

步骤一：设备运行初始时刻，在舰船船体上固定一个参考面，然后将MEMS惯导系统载体固定在参考面上，进入快速对准模式。

步骤二：完成步骤一后，MEMS惯导系统载体与参考面进行5分钟的短时间相对静止状态。

步骤三：在相对静止状态中，采集主惯导陀螺仪的角速度输出值和MEMS惯导陀螺仪的角速度输出值，并进行MEMS的零偏漂移估计：

式中，

步骤四：将主惯导姿态矩阵传递给MEMS惯导子惯导。

式中，

步骤五：在后续的实际舷角测量过程中，首先使用步骤三计算的零偏漂移估计值对MEMS-IMU的陀螺仪的角速度输出值进行修正；

然后利用修正后的MEMS-IMU的陀螺仪角速度输出值和步骤四传递的姿态矩阵

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。