本发明属于惯性导航技术领域，涉及惯性器件测试方法，尤其是一种基于单轴转台的惯组现场标定方法。
背景技术：
随着导航技术进步与发展，惯性导航作为一个技术分支，对于惯性导航设备的核心元件惯性测量单元的标定已经成为一个非常重要的关键技术。
传统的惯组标定技术通常采用三轴转台进行标定，三轴转台技术比较成熟，但是，用于标定的转台装置体积重量大、实验场地要求比较高、安装调试繁琐、移动性很差，一旦标定设备安装完成，便无法移动。因此，这种标定方法无法满足惯性导航设备试验现场进行紧急标定要求。
如何寻找标定精度高、简单方便而且受标定场地限制小的标定方法是目前迫切需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、精度高、使用方便且场地限制小的基于单轴转台的惯组现场标定方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，包括以下步骤：
步骤1、建立单轴转台模型，并根据单轴转台的框架结构建立如下坐标系：当地地平坐标系t0、转台转轴坐标系t1、转台平面坐标系t2、陀螺三轴坐标系g和加速度计三轴坐标系a；
步骤2、建立陀螺加速度计惯性组件模型；
步骤3、建立方箱坐标系，方箱坐标系的三个坐标轴相互垂直并且三个轴的方向与陀螺和加速度计的指向平行：
步骤4、将安装有惯组的方箱安装到单轴转台上，然后进行惯组现场标定。
进一步，所述转台转轴坐标系t1与当地地平坐标系t0存在的不正交角度θx0和θy0,以及初始方位误差θz0，则当地地平坐标系t0向转台转轴坐标系t1转换转换如下：
所述转台转轴坐标系t1与转台平面坐标系t2存在不正交角度θx1和θy1,则转台转轴坐标系t1向转台平面坐标系t2转换如下：
进一步，所述陀螺加速度计惯性组件模型中，单只陀螺的器件参数包括标度因数、零位偏置以及敏感轴偏置角度，三只陀螺构成的组件相关的模型参数为12个，分别为：三个陀螺标度因数kgx，kgy，kgz，六个陀螺安装偏角ugxy，ugxz，ugyx，ugyz，ugzx，ugzy和三个陀螺零位bgx0，bgy0，bgz0；陀螺组件的数学模型如下：
其中：
ωx,ωy,ωz分别为三个相互正交坐标轴上的角速度输入；
ngx，ngy，ngz分别为三个陀螺脉冲数输出；
加速度计组件包含12个标定参数，分别为：标度因数kax，kay，kaz,安装偏角uaxy，uaxz，uayx，uayz，uazx，uazy，加速度计零位bax0，bay0，baz0，加速度计组件的数学模型如下：
其中：
fx、fy、fz分别为三个相互正交坐标轴上输入比力；
nax、nay、naz分别为三个加速度计脉冲数输出。
进一步，所述步骤4在进行管组现场标定时，采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定，并且采用静态采样的方式进行加速度计标度因数与安装偏角以及陀螺加速度计零位的标定。
进一步，所述采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定时，将惯组的z轴指向的方箱平面定义为a1面，a1面对应的平行面为a2面，惯组x轴指向的平面定义为b1面，b1面对应的平行面为b2面，惯组y轴指向的平面为c1面，c1面对应的平行面为c2面，整周旋转旋转顺序为：
⑴a1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑵a1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周；
⑶b1面朝天，a2面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑷b1面朝天，a1面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周；
⑸c1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑹c1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周。
所述采用静态采样的方式进行加速度计标度因数与安装偏角以及陀螺加速度计零位的标定时，将惯组的z轴指向的方箱平面定义为a1面，a1面对应的平行面为a2面，惯组x轴指向的平面定义为b1面，b1面对应的平行面为b2面，惯组y轴指向的平面为c1面，c1面对应的平行面为c2面，通过翻转方箱的方式进行数据的录取，其静态标定位置包括六个：
⑴转台方箱初始位置：a1面指天，b1面推靠；
⑵绕y轴、z轴旋转180°、90°：a1面指地，c2面推靠；
⑶绕y轴、z轴旋转90°、180°：b1面指天，c1面推靠；
⑷绕z轴、x轴旋转180°、-90°：b1面指地，a2面推靠；
⑸绕z轴、y轴旋转90°、180°：c1面指天，a1面推靠；
⑹绕z轴、y轴旋转180°、90°：c2面指天，b2面推靠；
并且，每个位置静止录数100s。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过建立单轴转台模型、陀螺加速度计惯性组件模型及方箱坐标系模型，将安装有惯组的方箱安装到单轴转台上，并采用推靠的方式与转台推靠面贴紧进行惯组现场标定，在进行标定时，采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定，从而实现了仅需要一个体积较小的单轴位置转台、六面体方箱就可以实现惯性测量单元的标定功能，同时对转台的安装无调平要求，对标定场地限制小，便于现场安装应用，从而节省了大量时间。
附图说明
图1是本发明的单轴转台结构示意图；
图2是本发明的方箱立体结构示意图；
图3是本发明的单轴转台和方箱的安装关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
本发明的设计思想是：如图1至图3所示，将惯性测量单元固定安装在方箱结构件内，将方箱推靠到单轴转台一侧的推靠面上，通过调整每次方箱摆放方式和控制转台旋转，采集陀螺和加速度计的脉冲数，就可以计算出惯性测量单元的标定参数，从而在单轴转台非调平且无需指向基准条件下，通过特殊的摆放的方式，可以隔离单轴转台不水平误差对标定参数的影响。
基于上述设计思想，本发明提供一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，包括以下步骤：
步骤1、建立单轴转台模型
单轴转台的结构如图1所示，根据单轴转台的框架结构建立坐标系，分别为：当地地平坐标系t0，转台转轴坐标系t1，转台平面坐标系t2，陀螺三轴坐标系g，加速度计三轴坐标系a，其中，陀螺三轴坐标系g是非正交坐标系。
从当地地平坐标系t0向转台转轴坐标系t1转换，存在转台转轴与当地地平坐标系的不正交角度θx0和θy0,以及初始方位误差θz0，那么从t0向t1系转换如下：
从转台转轴坐标系t1向转台平面坐标系t2转换，存在转轴与转台的不正交角度θx1和θy1,那么从转台转轴坐标系t1向转台平面坐标系t2转换如下：
步骤2、建立陀螺加速度计惯性组件模型
单只陀螺的器件参数包括标度因数、零位偏置以及敏感轴偏置角度，由三只陀螺构成的组件相关的模型参数为12个。模型参数包括以下内容：三个陀螺标度因数kgx，kgy，kgz,六个陀螺安装偏角ugxy，ugxz，ugyx，ugyz，ugzx，ugzy，三个陀螺零位bgx0，bgy0，bgz0。因此，陀螺组件的数学模型如下：
其中：
ωx,ωy,ωz——三个相互正交坐标轴上的角速度输入；
ngx，ngy，ngz——三个陀螺脉冲数输出。
与陀螺一致，加速度计同样包含12个标定参数，分别为：标度因数kax，kay，kaz,安装偏角uaxy，uaxz，uayx，uayz，uazx，uazy，零位bax0，bay0，baz0。加速度计组件的数学模型如下：
其中：
fx、fy、fz——三个相互正交坐标轴上输入比力；
nax、nay、naz——三个加速度计脉冲数输出。
步骤3、建立方箱坐标系模型
方箱坐标系定义为p系，惯组安装在方箱结构件内部(如图2所示)，方箱坐标系三个轴的方向与陀螺和加速度计的指向大致平行，并与对应的方箱加工平面垂直，由于方箱相邻平面之间互相垂直，因此p系的三个坐标轴也相互垂直。
为了说明的方便，规定惯组的z轴指向的方箱平面为a1面，对应的平行面为a2面，x轴指向的平面为b1面，对应的平行面为b2面，y轴指向的平面为c1面，对应的平行面为c2面。
步骤4、将安装有惯组的方箱安装到单轴转台上，并采用推靠的方式与转台推靠面贴紧(如图3所示)，然后进行惯组现场标定。具体方法如下：
1、采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定，其旋转顺序为：
(1)a1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
(2)a1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
(3)b1面朝天，a2面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
(4)b1面朝天，a1面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
(5)c1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
(6)c1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周，对应的陀螺组件输出为：
以上式子两两相减，便可得到：
2、采用静态采样的方式进行加速度计标度因数与安装偏角以及陀螺加速度计零位的标定。
由于转台锁定在零位，因此通过翻转方箱的方式进行数据的录取。六个位置如表1所示，在六个位置每个位置静止录数100s。
表1静态标定位置
在各个位置上，三个轴的角速率输出分别为：
其中，i＝(1,2,3)；j＝(1,2),
根据陀螺误差模型(3)：
对两侧求数学期望：
同样，可以求得
假设初始位置1-1的比力为[axayaz]t，同样存在
以x加速度计说明计算方法，基于最小二乘法：
在非理想调平情况下，计算方法如下：
在实际使用中，单轴转台基本水平就完全可以保证
根据公式(15)和公式(17)同样可以计算出y和z加速度计的标定参数。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
1.一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、建立单轴转台模型，并根据单轴转台的框架结构建立如下坐标系：当地地平坐标系、转台转轴坐标系、转台平面坐标系、陀螺三轴坐标系和加速度计三轴坐标系；
步骤2、建立陀螺加速度计惯性组件模型；
步骤3、建立方箱坐标系，该方箱坐标系的三个坐标轴相互垂直并且三个轴的方向与陀螺和加速度计的指向平行：
步骤4、将安装有惯组的方箱安装到单轴转台上，然后进行惯组现场标定。
2.根据权利要求1所述的一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：所述转台转轴坐标系与当地地平坐标系存在的不正交角度θx0和θy0,以及初始方位误差θz0，则当地地平坐标系t0向转台转轴坐标系t1转换转换如下：
所述转台转轴坐标系t1与转台平面坐标系t2存在不正交角度θx1和θy1,则转台转轴坐标系t1向转台平面坐标系t2转换如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：所述陀螺加速度计惯性组件模型中，单只陀螺的器件参数包括标度因数、零位偏置以及敏感轴偏置角度，三只陀螺构成的组件相关的模型参数为12个，分别为：三个陀螺标度因数kgx，kgy，kgz，六个陀螺安装偏角ugxy，ugxz，ugyx，ugyz，ugzx，ugzy和三个陀螺零位bgx0，bgy0，bgz0；陀螺组件的数学模型如下：
其中：
ωx,ωy,ωz分别为三个相互正交坐标轴上的角速度输入；
ngx，ngy，ngz分别为三个陀螺脉冲数输出；
加速度计组件包含12个标定参数，分别为：加速度计标度因数kax，kay，kaz,加速度计安装偏角uaxy，uaxz，uayx，uayz，uazx，uazy，加速度计零位bax0，bay0，baz0，加速度计组件的数学模型如下：
其中：
fx、fy、fz分别为三个相互正交坐标轴上输入比力；
nax、nay、naz分别为三个加速度计脉冲数输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：所述步骤4在进行惯组现场标定时，采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定，并且采用静态采样的方式进行加速度计标度因数与安装偏角以及陀螺加速度计零位的标定。
5.根据权利要求4所述的一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：所述采用整周旋转的方式进行陀螺标度因数与安装偏角的标定时，将惯组的z轴指向的方箱平面定义为a1面，a1面对应的平行面为a2面，惯组x轴指向的平面定义为b1面，b1面对应的平行面为b2面，惯组y轴指向的平面为c1面，c1面对应的平行面为c2面，整周旋转旋转顺序为：
⑴a1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑵a1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周；
⑶b1面朝天，a2面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑷b1面朝天，a1面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周；
⑸c1面朝天，b1面与推靠面重合，转台按ω正向旋转整周；
⑹c1面朝天，b2面与推靠面重合，转台按ω反向旋转整周。
6.根据权利要求4所述的一种基于单轴转台的惯组现场标定方法，其特征在于：所述采用静态采样的方式进行加速度计标度因数与安装偏角以及陀螺加速度计零位的标定时，将惯组的z轴指向的方箱平面定义为a1面，a1面对应的平行面为a2面，惯组x轴指向的平面定义为b1面，b1面对应的平行面为b2面，惯组y轴指向的平面为c1面，c1面对应的平行面为c2面，通过翻转方箱的方式进行数据的录取，其静态标定位置包括六个：
⑴转台方箱初始位置：a1面指天，b1面推靠；
⑵绕y轴、z轴旋转180°、90°：a1面指地，c2面推靠；
⑶绕y轴、z轴旋转90°、180°：b1面指天，c1面推靠；
⑷绕z轴、x轴旋转180°、-90°：b1面指地，a2面推靠；
⑸绕z轴、y轴旋转90°、180°：c1面指天，a1面推靠；
⑹绕z轴、y轴旋转180°、90°：c2面指天，b2面推靠；
并且，每个位置静止录数100s。
技术总结