專利名稱：基于姿態(tài)測量的船用捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種導(dǎo)航定位方法，特別是涉及一種捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文導(dǎo)航定位技 術(shù)。
背景技術(shù)：
(XD星敏感器作為一種高精度的姿態(tài)測量儀器，具有體積小、適裝性強、測量誤差 不隨時間積累等優(yōu)點，不僅在宇宙飛船和衛(wèi)星等空間飛行器中得到了應(yīng)用，而且在艦艇和 導(dǎo)彈上的應(yīng)用也越來越廣泛。傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航是以平臺慣導(dǎo)或平臺羅經(jīng)來提供水平基準， 利用CCD星敏感器來進行觀測出太空中某一位置的幾顆恒星，并利用自身攜帶的星圖庫進 行比較，計算出光軸的赤經(jīng)和赤緯，進而利用天文三角形的算法來計算運載體的地理位置 (經(jīng)度和緯度)，定位精度高。然而平臺慣性系統(tǒng)(平臺慣導(dǎo)和平臺羅經(jīng))需要有精確的物 理平臺，因而體積大、硬件系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低、成本高而且難以維護等一系列的缺點，已逐 漸被捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)取代。為了適應(yīng)這一不可逆轉(zhuǎn)的變化，研究捷聯(lián)慣導(dǎo)/天文定位方法就 顯得十分必要。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是把把慣性儀表直接固聯(lián)在載體上，利用“數(shù)學平臺”代替平臺慣性 系統(tǒng)中的物理平臺，因而具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、便于維護、適裝性強等優(yōu) 點，得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而受原理的限制，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差隨著時間的積累 而發(fā)散，不能進行長時間、高質(zhì)量的定位；考慮到捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)不隨著時間的積 累而發(fā)散，如何利用捷聯(lián)慣導(dǎo)中姿態(tài)不發(fā)散的性質(zhì)與對CCD星敏感器測量姿態(tài)進行處理， 得到位置矩陣，從而獲得準確的位置信息就顯的尤為必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效提高導(dǎo)航設(shè)備定位精度的基于姿態(tài)測量的 船用捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文定位方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括下列步驟(1)在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準完畢以后，采集光纖陀螺儀和石英撓性加速度計的 輸出數(shù)據(jù)；(2)采集(XD星敏感器的輸出，即(XD星敏感器的坐標系相對于慣性坐標系即i系 之間的姿態(tài)信息Cf，i系與船舶載體坐標系即b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為Cf =CbsC其中:Cbs為(XD星敏感器坐標系即s系與b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，它在導(dǎo)航設(shè)備裝船 時通過光學瞄準精確獲得；(3)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)輸出的姿態(tài)矩陣CA"’，其中計算地理坐標系即n'系，當?shù)氐?理坐標系即n系與計算當?shù)氐乩碜鴺讼祅'之間的轉(zhuǎn)化矩陣為C "’ ；(4)求解地球坐標系即e系相對于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣Cf ；

(5)通過(1)、(2)、(3)、⑷所得到的信息，解算得到位置矩陣:C:’《飲 根據(jù)C；1'解算出位置信息。
所述解算出位置信息的具體方法為 C；=
確定(XD星敏感器的輸出G，
運載體b系相對于慣性系i系之間的關(guān)系為=CbsC；， 通過CCD星敏感器自身攜帶的世界標準時間系統(tǒng)，得到 cos(Aj+wie -t) sin{Aj+wie -t) 0 -t) cos{Aj+wie-t) 0 0 0 1_wie為地球自轉(zhuǎn)角速度、t是世界標準時間系統(tǒng)提供的具體時間、Aj是初始位置即 經(jīng)度和緯度與春分點之間的夾角；c^ =cbn,cnn'c"eqC 6由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出提供，當?shù)氐乩碜鴺讼祅系與計算當?shù)氐乩碜鴺讼祅'之 間的轉(zhuǎn)換矩陣為c "’，通過得位置矩陣ce"’，通過位置矩陣實時的計算出船舶 的位置即經(jīng)度和緯度；
通過
確定船舶的經(jīng)度主值和緯度主值


緯度的真實值識為
經(jīng)度的真實值入為至此完成導(dǎo)航定位計算。本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(1)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)輸出水平的兩個失準角誤差也是不發(fā)散的，所以捷聯(lián)式慣性天 文導(dǎo)航定位算法是無積累的導(dǎo)航定位算法；(2)陀螺漂移會帶來一定的誤差，誤差不是很大，導(dǎo)航定位在一定范圍內(nèi)振蕩，定 位精度高。
對本發(fā)明的有益效果說明如下Mat lab 仿真(1)在以下的仿真條件下，對該方法進行仿真實驗捷聯(lián)航姿系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；載體初始位置北緯45. 7796°，東經(jīng)126. 6705° ；載體真實姿態(tài)誤差角V = 0°，0 = 0°，Y = 0° ；其中V，9 , Y分別表示 航向誤差角、縱搖誤差角和橫搖誤差角；赤道半徑:Re= 6378393. 0m ；由萬有引力可得的地球表面重力加速度gQ = 9. 78049 ；地球自轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒)7. 2921158e-5 ；陀螺儀常值漂移0度/小時；加速度計零偏0米/秒方；CCD星敏感器的誤差n = 0. 0028° ；常數(shù)Ji= 3. 1415926 ；仿真時間t = 3小時；采樣頻率Hn= 0. 1 ；利用發(fā)明所述方法得到經(jīng)度誤差、緯度誤差、定位誤差分別如圖1、圖2、圖3所示； 如果不存在陀螺漂移和初始對準誤差的情況下，定位精度高，3小時定位精度大約為11. 3米。(2)在以下的仿真條件下，對該方法進行仿真實驗
捷聯(lián)航姿系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；載體初始位置北緯45. 7796°，東經(jīng)126. 6705° ；載體真實姿態(tài)誤差角V = 0°，0 = 0°，Y = 0° ；其中V，9 , Y分別表示 航向誤差角、縱搖誤差角和橫搖誤差角；赤道半徑Re= 6378393. Om ；由萬有引力可得的地球表面重力加速度gQ = 9. 78049 ；地球自轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒)7. 2921158e-5 ；陀螺儀常值漂移0. 01度/小時；加速度計零偏1 X 10_4 X gQ米/秒方；CCD星敏感器的誤差n = 0. 0028° ；常數(shù)JI= 3. 1415926 ；仿真時間{ = 3小時；采樣頻率Hn= 0. 1 ；利用發(fā)明所述方法得到經(jīng)度誤差、緯度誤差、定位誤差分別如圖4、圖5、圖6所示； 如果存在陀螺漂移，初始對準誤差為零的情況下，3小時的定位精度大約為0. 94海里，并且 隨時間的推移在成周期性振蕩。(3)在以下的仿真條件下，對該方法進行仿真實驗捷聯(lián)航姿系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；載體初始位置北緯45. 7796°，東經(jīng)126.6705° ；
載體真實姿態(tài)誤差角=0.02°，e = 0.01°，Y = 0.01° ；其中v，e，Y 分別表示航向誤差角、縱搖誤差角和橫搖誤差角；赤道半徑:Re= 6378393. 0m ；由萬有引力可得的地球表面重力加速度gQ = 9. 78049 ；地球自轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒)7. 2921158e-5 ；陀螺儀常值漂移0度/小時；加速度計零偏1 X 10_4X gQ米/秒方；CCD星敏感器的誤差n = 0. 0028° ；常數(shù)Ji= 3. 1415926 ；仿真時間:t = 3小時;采樣頻率Hn= 0. 1 ；利用發(fā)明所述方法得到經(jīng)度誤差、緯度誤差、定位誤差分別如圖7、圖8、圖9所示； 如果不存在陀螺漂移，初始對準誤差為0.02°、0.01°、0.01°的情況下，3小時初始定位 精度大約為1.4海里，起始位置出現(xiàn)誤差。(4)在以下的仿真條件下，對該方法進行仿真實驗捷聯(lián)航姿系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；載體初始位置北緯45. 7796°，東經(jīng)126.6705° ；載體真實姿態(tài)誤差角v=0.02°，e = 0.01°，Y = 0.01° ；其中v，e，Y 分別表示航向誤差角、縱搖誤差角和橫搖誤差角；赤道半徑Re= 6378393. Om ；由萬有引力可得的地球表面重力加速度gQ = 9. 78049 ；地球自轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒)7. 2921158e-5 ；陀螺儀常值漂移0. 01度/小時；加速度計零偏1 X 10_4X gQ米/秒方；CCD星敏感器的誤差n = 0. 0028° ；常數(shù)JI= 3. 1415926 ；仿真時間:t = 3小時;采樣頻率Hn= 0. 1 ；利用發(fā)明所述方法得到經(jīng)度誤差、緯度誤差、定位誤差分別如圖10、圖11、圖12所 示；如果存在陀螺漂移并且初始對準誤差為0.02°、0.01°、0.01°的情況下，3小時的定 位精度大約為1. 39海里，起始位置存在一定的初始定位誤差。


圖1為利用Matlab仿真得到的經(jīng)度誤差曲線圖(第一組仿真實驗)；圖2為利用Matlab仿真得到的緯度誤差曲線圖(第一組仿真實驗)；圖3為利用Matlab仿真得到的定位誤差曲線圖(第一組仿真實驗)；圖4為利用Matlab仿真得到的經(jīng)度誤差曲線圖(第二組仿真實驗)；圖5為利用Matlab仿真得到的緯度誤差曲線圖(第二組仿真實驗)；圖6為利用Matlab仿真得到的定位誤差曲線圖(第二組仿真實驗)；
圖7為利用Matlab仿真得到的經(jīng)度誤差曲線圖(第三組仿真實驗)圖8為利用Matlab仿真得到的緯度誤差曲線圖(第三組仿真實驗)圖9為利用Matlab仿真得到的定位誤差曲線圖(第三組仿真實驗)圖10為利用Matlab仿真得到的經(jīng)度誤差曲線圖(第四組仿真實驗)圖11為利用Matlab仿真得到的緯度誤差曲線圖(第四組仿真實驗)圖12為利用Matlab仿真得到的定位誤差曲線圖(第四組仿真實驗)圖13為發(fā)明的步驟流程框圖。
具體實施例方式下面舉例對本發(fā)明做更詳細地描述(1)在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準完畢以后(粗對準和精對準)，采集光纖陀螺儀和石 英撓性加速度計的輸出數(shù)據(jù)；(2)采集C⑶星敏感器的輸出C⑶星敏感器的坐標系相對于慣性坐標系(i系天 球坐標系)之間的姿態(tài)信息Cf，i系與船舶載體坐標系(b系)之間的轉(zhuǎn)換矩陣 Cf = CbC
(1)其中:Cbs為(XD星敏感器坐標系(s系)與b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，它可以在導(dǎo)航設(shè) 備裝船時通過光學瞄準精確獲得。將天球坐標系o-uvw按照先繞W軸逆時針轉(zhuǎn)w角，得到0-UAWi坐標系，再繞Ui逆 時針轉(zhuǎn)U角，使Wi軸與Zs重合，得到0-U2V2W2坐標系，最后再繞W2軸逆時針旋轉(zhuǎn)V角，得到 os-usvsws 坐標系。 (3)釆集慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)輸出的姿態(tài)矩陣Cf,其中計算地理坐標系(V 理坐標系(n系)與計算當?shù)氐乩碜鴺讼?之間的轉(zhuǎn)化矩陣為(4)求解地球坐標系(e系)相對于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣 cos(4 . t) sin(為 +w/e. 0 0" -sin(為+wie. t) cos(4 +wie t) 0 wie為地球自轉(zhuǎn)角速度，t是世界標準時間系統(tǒng)提供的具體時間，Aj是初始位置(經(jīng) 度和緯度)與春分點之間的夾角。cf = c 6c;'c;c;(4)在⑷中，0由⑴式提供，C A由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出提供，Cf由(3)計算可得，當?shù)?地理坐標系(n系)與計算當?shù)氐乩碜鴺讼?n')之間的轉(zhuǎn)化矩陣為C "'。通過(4)式得位 置矩陣Ce"’，通過位置矩陣就可以實時的計算出船舶的位置(經(jīng)度和緯度)。 c;' = c;'ce"
(5)
設(shè)
通過(6)可以確定船舶的經(jīng)度主值和緯度主值c (p生 二 sin-1 C33
緯度的真實值識為
經(jīng)度的真實值入為
；L 二 j 4+180° 當 C31 <0時，；I主 <0時 ；I主-180° 當C31 < 0時，；I主 > 0時
至此，完成導(dǎo)航定位計算。
權(quán)利要求
一種基于姿態(tài)測量的船用捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文定位方法，其特征在于包括以下幾個步驟(1)在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準完畢以后，采集光纖陀螺儀和石英撓性加速度計的輸出數(shù)據(jù)；(2)采集CCD星敏感器的輸出，即CCD星敏感器的坐標系相對于慣性坐標系即i系之間的姿態(tài)信息i系與船舶載體坐標系即b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為其中為CCD星敏感器坐標系即s系與b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，它在導(dǎo)航設(shè)備裝船時通過光學瞄準精確獲得；(3)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)輸出的姿態(tài)矩陣其中計算地理坐標系即n′系，當?shù)氐乩碜鴺讼导磏系與計算當?shù)氐乩碜鴺讼祅′之間的轉(zhuǎn)化矩陣為(4)求解地球坐標系即e系相對于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣(5)通過(1)、(2)、(3)、(4)所得到的信息，解算得到位置矩陣根據(jù)解算出位置信息。FSA00000177083700011.tif,FSA00000177083700012.tif,FSA00000177083700013.tif,FSA00000177083700014.tif,FSA00000177083700015.tif,FSA00000177083700016.tif,FSA00000177083700017.tif,FSA00000177083700018.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于姿態(tài)測量的船用捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文定位方法，其特征是所 述解算出位置信息的具體方法為確定CXD星敏感器的輸出，運載體b系相對于慣性系i系之間的關(guān)系為(Kc;， 通過CCD星敏感器自身攜帶的世界標準時間系統(tǒng)，得到 cos{Aj+wie -t) sin(y47+wie -t) 0 wie為地球自轉(zhuǎn)角速度、t是世界標準時間系統(tǒng)提供的具體時間、Aj是初始位置即經(jīng)度 和緯度與春分點之間的夾角； Cbi =CbnCnXneCei由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出提供，當?shù)氐乩碜鴺讼郸窍蹬c計算當?shù)氐乩碜鴺讼郸?之間的 轉(zhuǎn)換矩陣為^，通過C，=CniCfCenG得位置矩陣Cf，通過位置矩陣實時的計算出船舶的位 置即經(jīng)度和緯度； C:' =C:,C:, φ生-sin"1 C33 義主=tan緯度的真實值P為經(jīng)度的真實值λ為 至此完成導(dǎo)航定位計算。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于姿態(tài)測量的船用捷聯(lián)慣導(dǎo)與天文定位方法。(1)在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準完畢以后，采集光纖陀螺儀和石英撓性加速度計的輸出數(shù)據(jù)；(2)采集CCD星敏感器的輸出，即CCD星敏感器的坐標系相對于慣性坐標系即i系之間的姿態(tài)信息；(3)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)輸出的姿態(tài)矩陣；(4)求解地球坐標系即e系相對于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；(5)通過(1)、(2)、(3)、(4)所得到的信息，解算得到位置矩陣，根據(jù)位置矩陣解算出位置信息。本發(fā)明是無積累的導(dǎo)航定位算法；定位精度高。
文檔編號G01C21/02GK101881619SQ20101020928
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者于強, 付建楠, 吳曉, 周廣濤, 奔粵陽, 張勇剛, 張鑫, 徐博, 胡丹, 高偉 申請人:哈爾濱工程大學