捷联惯性导航系统外场标定方法研究

The fast and accurate outfield calibration of strapdown inertial navigation system (SINS) is one of the central research fields in the recent years. Due to the lack of external references and restricted mobility, the observability of calibration parameters is poor, which prevents the speed and accuracy of outfield calibration. This project proposed a method of outfield calibration by using the high accuracy rotational platform. The tasks of this project can be concluded as: 1) Focus on using the multi-order differential of observables to directly determine the considerable measure of state variables and designing the outfield calibration path based on the considerable measure of state variables; 2) establish the function between the calibration errors of inertial measurement unit (IMU) and navigation errors on different locations or in different states, and research the method of reducing the dimension of Kalman filter; 3) research the multi-level calibration to improve the estimation accuracy of gyro calibration parameters under the premise of without increasing the outfield calibration difficulty and estimated time. The objective of this project is threefold: realize the key techniques of out field calibration for strapdown inertial navigation system, tackle the application requirements of SINS in the information mapping area, and provide the technique support for high accuracy real-time geographic information access.

捷联惯性导航系统（SINS）的快速高精度外场标定是惯性导航的重要发展方向之一。本项目主要针对捷联惯性导航系统外场标定中外界参考信息不足和难以进行有效机动导致标定误差参数可观测性低的难题，提出一种利用旋转机构精确转位功能的捷联惯性导航系统外场标定方法。重点研究利用观测量的微分阶数对状态变量可观测度进行直观分析的方法，并根据状态变量的可观测度指导外场标定路径设计；充分利用旋转机构的精准转位特性，建立不同位置或不同状态下惯性测量单元（IMU）标定误差与导航误差的函数关系，研究Kalman滤波降维处理方法；在不增加外场标定难度和滤波估计时间的前提下，提高陀螺标定误差参数估计精度的多级标定方法等科学问题，旨在突破捷联惯性导航系统外场标定的关键技术，促进解决捷联惯性导航系统在信息化测绘领域中越来越广的应用需求，为地理信息的高精度、快速实时获取提供技术支撑。

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）误差引起系统随时间积累的导航误差，成为制约现代测绘仪器对地理信息实时、快速、高精度获取的重要因素。因此，提高IMU精度是实现多传感器融合的组合导航系统快速高精度定位导航的重要措施。项目结合捷联惯性导航技术和信息化测绘的发展趋势，突破捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）外场标定关键技术，对IMU标定数学建模、基于标定模型的标定路径设计以及标定数据处理方法进行理论研究和实验验证。项目对IMU标定数学建模方法进行了深入的研究，探索了基于笛卡尔空间坐标系转换的IMU标定数学建模方法，将IMU标定数学建模问题转化为两个三维空间坐标系的转换矩阵求解问题，建立了4种陀螺标定线性数学模型、4种加速度计标定线性数学模型和4种加速度计标定非线性数学模型，为不同精度要求的SINS对外场标定数学模型的选择提供理论依据。基于IMU标定数学模型，研究了IMU标定参数误差和模型误差对SINS的影响。针对SINS外场标定计算量大、可观测性分析复杂等问题，提出一种十位置系统级标定方法，建立标定参数误差与导航误差之间的关系，以Kalman滤波为基础，完成系统的可观测性分析、抑噪和降维处理。在十位置系统级标定的基础上，以减少标定时间和提高系统标定精度为目的继续进行研究，将十个位置缩短为六个位置，并针对光纤陀螺标定误差滤波时间长和开始阶段收敛迅速的特点，对光纤陀螺进行两级系统级标定，进一步提高光纤陀螺标定精度，实现SINS快速、高精度标定。项目的研究成果，为SINS提供快速、实时、高精度的外场标定理论与技术储备，为SINS在信息化测绘领域的广泛应用提供技术支持。