基于单轴旋转的捷联惯导系统在线初始化方法研究

The fast online alignment of strapdown inertial navigation system (INS) is one of the central research fields in the recent years. Due to the lack of manoeuvre of the mobile survey platform, the observability of inertial system parameters is poor, which prevents the speed and accuracy of INS initialization. This project proposed a method of online INS alignment and calibration for strapdown system with a rotational IMU without the requirement of external information. The tasks of this project can be concluded as: 1) Focus on system observability analytical method and classified the state variable based on the principle of multi-order differential needs more observations information; 2) establish the transformation between attitude and alignment accuracy, and design the three-position alignment scheme based on the best IMU rotation angle; 3) establish the relationships between IMU rotation angle, misalignment and inertial sensor errors by using the high accuracy rotational platform; 4) study the three-position calibration method, in which the inertial sensor errors are estimated from the misalignment angles. The objective of this project is threefold: realize the key techniques of calibration and alignment for rotary strapdown system, provide the basis of inertial system initialization, tackle the issues of the mobile survey platform in the current survey applications, and provide the technique support for high accuracy real-time surveillance and monitoring information.

捷联惯导系统的快速高精度在线初始化是惯性导航的重要发展方向之一。本项目主要针对无外辅设备条件下，移动测量平台难以进行有效机动影响系统参数可观测性进而阻碍惯导系统初始化速度和精度提高的难题，提出一种基于惯性测量单元（IMU）转动的捷联惯性导航系统多位置在线对准与标定方法。重点研究系统可观测性解析方法并依据观测量多阶微分需求更多信息的原则，对状态变量的可观测度进行归类；建立姿态角与对准精度之间转换关系并设计IMU最佳旋转角度的三位置对准方案；充分利用旋转机构的精准转位特性，建立IMU角位置、失准角与惯性器件误差的函数关系，研究利用失准角估值求取惯性器件偏差的三位置现场标定方法等科学问题，旨在突破旋转式捷联惯导系统在线对准和标定的关键技术，为系统初始化奠定理论和算法基础，促进解决移动测量平台在现代测绘领域中越来越广的应用需求，为监测信息的高精度、快速实时获取提供技术支撑。

利用移动测量平台实现地理国情监测既是经济社会发展的需求，也是测绘事业持续发展的关键。地理国情监测的对象分布面广、空间跨度大、实施难度大，并对地理国情信息获取的时效性和准确性提出更高要求。因此，研究现代测绘技术手段和装备是进行地理信息监测的重要物质基础。针对无外辅设备条件下，移动测量平台难以进行有效机动影响系统参数可观测性进而阻碍惯导系统初始化速度和精度提高的难题，提出一种基于惯性测量单元（IMU）转动的光纤陀螺捷联惯性导航系统多位置在线对准与标定方法。重点研究系统可观测性解析方法并依据观测量多阶微分需求更多信息的原则，对状态变量的可观测度进行归类；通过建立姿态角与对准精度之间转换关系确定IMU最佳旋转角度的三位置后开展了惯导系统初始对准；利用旋转机构的精准转位特性，建立了IMU角位置、失准角与惯性器件误差的函数关系，利用失准角估值求取惯性器件偏差的三位置现场标定方法等科学问题，突破旋转式光纤捷联惯导系统在线对准和标定的关键技术，为旋转光纤捷联惯导系统初始化奠定了理论和算法基础。该项目研究成果可为促进解决移动测量平台在现代测绘领域中越来越广的应用需求，为监测信息的高精度、快速实时获取提供技术支撑。