專利名稱：一種基于ccd星敏感器的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種標(biāo)定方法，特別是涉及一種捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是基于慣性測(cè)量元件和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)構(gòu)成的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。通常情 況下，不論是平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)還是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，在進(jìn)行導(dǎo)航工作前，都必須進(jìn)行進(jìn)行慣導(dǎo)系 統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)，初始對(duì)準(zhǔn)分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為粗對(duì)準(zhǔn)；第二個(gè)階段為精對(duì)準(zhǔn)階段。 精對(duì)準(zhǔn)階段一般采用卡爾曼濾波器對(duì)三個(gè)失準(zhǔn)角進(jìn)行估計(jì)。在靜基座的對(duì)準(zhǔn)模型中，不利 用任何的機(jī)動(dòng)特性，卡爾曼濾波器只能估計(jì)出七個(gè)變量；當(dāng)采用機(jī)動(dòng)措施的情況下，卡爾曼 濾波器可以提高被估計(jì)量的數(shù)目。在陀螺常值漂移和加速度計(jì)的零偏得到估計(jì)后，對(duì)其進(jìn) 行補(bǔ)償，這種措施對(duì)提高導(dǎo)航設(shè)備的精度有很大的作用。利用CXD星敏感器進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，由于其光軸指向精度可以達(dá)到20角秒以內(nèi)， 因此對(duì)準(zhǔn)精度高，并且快速、穩(wěn)定；三個(gè)失準(zhǔn)角在一定程度上可以通過(guò)CCD星敏感器進(jìn)行一 次性的初始對(duì)準(zhǔn)后得到，利用得到的失準(zhǔn)角作為觀測(cè)量，不需要運(yùn)載體做任何機(jī)動(dòng)措施便 可以估計(jì)出陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏。

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)備導(dǎo)航精度的快速、穩(wěn)定的基于 CCD星敏感器的標(biāo)定方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)采集C⑶星敏感器的輸出C⑶星敏感器的坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系即i系之 間的姿態(tài)信息 5;(2)采集當(dāng)?shù)匚恢眯畔⒓唇?jīng)度和緯度，得到地球坐標(biāo)系即e系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系 即η系的轉(zhuǎn)換矩陣Ce";(3)求解e系相對(duì)于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣C:；(4)通過(guò)⑴、⑵、(3)步驟中所給出的信息，解算得到姿態(tài)矩陣；(5)將步驟(4)中得到的姿態(tài)矩陣經(jīng)過(guò)換算得到失準(zhǔn)角，將其作為觀測(cè)方程，代入 卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波估計(jì)；(6)通過(guò)步驟(5)估計(jì)出陀螺的常值漂移和加速度計(jì)零偏。本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)本方法是一種依靠誤差不隨著時(shí)間的推移而發(fā)散的姿態(tài)傳感器進(jìn)行的標(biāo)定方法， 短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)定結(jié)果，與以往的標(biāo)定方法不同的是，它不需要進(jìn)行任何機(jī)動(dòng) 措施，便可以估計(jì)出陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏。對(duì)本發(fā)明的有益效果如下方式得以驗(yàn)證Matlab 仿真(1)在以下的仿真條件下，對(duì)該方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)
捷聯(lián)航姿系統(tǒng)作三軸搖擺運(yùn)動(dòng)。載體以正弦規(guī)律繞航向角、縱搖角和橫搖角搖擺， 其數(shù)學(xué)模型為ψ = vmsin(co ψ+φ v)+kθ = θ msin(co θ + φ θ)y = γηι8 η(ω γ + φ γ)其中Ψ，θ , Y分別表示繞航向角、縱搖角和橫搖角的搖擺角度變量；Ψω，θω, Ym分別表示相應(yīng)的搖擺角度幅值；ω ψ，ωθ, ω γ分別表示相應(yīng)的搖擺角頻率；φ ψ，φθ, Φ γ分別表示相應(yīng)的初相位；而ω i = 2 π /Ti, i = ψ，θ，Y，Ti表示相應(yīng)的搖擺周期；k為 真航跡。Τψ = 20s, T0 = 25s，Ty = 26s。載體初始位置北緯45. 7796°，東經(jīng)126. 6705° ；載體真實(shí)姿態(tài)角Ψ= 0°，θ = 0°，γ = 30° ；赤道半徑:Re= 63783930m ；由萬(wàn)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 ；CCD星敏感器的最大誤差η = 0. 01° ；陀螺儀常值漂移0. 01度/小時(shí)；陀螺儀白噪聲誤差0. 005度/小時(shí)；加速度計(jì)零偏10_4g0;加速度計(jì)白噪聲誤差5X10_5g。常數(shù)Ji= 3. 1415926 ；仿真時(shí)間:t= 3600s ；采樣頻率Hn= 0. 1 ；利用發(fā)明所述方法估計(jì)得到陀螺常值漂移如圖1所示；加速度計(jì)零偏的估計(jì)值如 圖2所示，通過(guò)圖1可以看出三個(gè)常值陀螺漂移估計(jì)量較好，圖2中的加速度計(jì)零偏也可以 較好的估計(jì)出來(lái)。


圖1為利用Matlab仿真得到的x、y、ζ軸常值陀螺漂移估計(jì)曲線圖；圖2為利用Matlab仿真得到的x、y、ζ軸加速度計(jì)零偏估計(jì)值與真實(shí)值之間比值 的曲線圖；圖3為發(fā)明的步驟流程框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述(1)采集C⑶星敏感器的輸出C⑶星敏感器的坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系(i系天 球坐標(biāo)系)之間的姿態(tài)信息C/，i系與船舶載體坐標(biāo)系(b系)之間的轉(zhuǎn)換矩陣
6
C 卜《C;
(1)其中Cf為CXD星敏感器坐標(biāo)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(shí)通過(guò)光學(xué)瞄準(zhǔn)精確獲得；將天球坐標(biāo)系O-UVW按照先繞W軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)w角，得到O-U1V1W1坐標(biāo)系，再繞U1逆 時(shí)針轉(zhuǎn)U角，使W1軸與Zs重合，得到O-U2V2W2坐標(biāo)系，最后再繞W2軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)V角，得到 Os-UsVsWs 坐標(biāo)系。
Csi =
cos w cos v-smw sin ν cos u sin w cos ν + cos w sin ν cos u sin ν sin u -cos wsin ν-sin TV cos vcos w - sin w sin ν + cos w cos ν cos u cos ν sin w sin wsinu— cos wsinucos u
)
2 C (2)釆集當(dāng)?shù)匚恢眯畔?經(jīng)度和緯度)，可以得到地球坐標(biāo)系(e系)相對(duì)于導(dǎo)航 坐標(biāo)系(η系)的轉(zhuǎn)換矩陣 Ce =
-sin^
cos Λ
0
一sin φ cos λ -sin ^ sin λ cos φ cos φ cos λ cos φ sin λ sin ^
/-S
3
C (3)求解地球坐標(biāo)系(e系)相對(duì)于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣Cf
CosiAj. +Wie ■ t)+Wie ■ t) 0
-sin(^. +wie · t) CO^iAj +wie · t) 0 C；=
) 4
0 0 1Wie為地球自轉(zhuǎn)角速度，t是世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)提供的具體時(shí)間，Aj是初始位置(經(jīng) 度和緯度)與春分點(diǎn)之間的夾角。(4)通過(guò)⑴、⑵、(3)步驟中所給出的信息，解算得到姿態(tài)矩陣Chi=ChnCneCI(5)即可解算出姿態(tài)信息。(5)將步驟(4)中得到的姿態(tài)矩陣經(jīng)過(guò)換算得到失準(zhǔn)角，將其作為觀測(cè)方程，代入 卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波估計(jì)；由于CCD星敏感的誤差不隨著時(shí)間的積累而增加，因此可以認(rèn)為姿態(tài)矩陣為真實(shí) 的姿態(tài)矩陣，將此矩陣與慣導(dǎo)實(shí)時(shí)解算的姿態(tài)矩陣組合計(jì)算，得到三個(gè)失準(zhǔn)角；Cnn =T-Cf-(C；-C；)"1Φχ = C(2,3)(jjy = C(3，l)(7)Φζ = C(l,2)其中C表示C "’；量測(cè)量為
(6)
系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
聯(lián)=
'F(t) =
SX12 Fi06
其中
Fs (t) = [F1 (t) F2 ⑴]
(14)
(13)
O2·Oie-Sin^ -2-COie-COS^OSlO ovsin 爐OOSiOOOte-Sin 於OOOOOOOOO-COie-COSVOOO-2-CJte-Sin^OOOOOOO F2CO =
《 0,
O,
'3x3
'3x3 -Cb Qie為地球自轉(zhuǎn)角速度，識(shí)為當(dāng)?shù)氐乩砭暥取?br> (16)
(15)其中5V(t)為慣導(dǎo)解算的速度與真實(shí)的速度之間的差值；(6)通過(guò)步驟(5)可以估計(jì)出陀螺的常值漂移和加速度計(jì)零偏。使用一階線性隨即微分方程來(lái)描述捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的狀態(tài)誤差如下X(t) = F(t)X(t) + G(t)W(t)(9)其中X(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；F(t)和G(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和噪聲矩 陣；W(t)為系統(tǒng)的噪聲向量；系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X = [SVE SVn SVu φχ φγ φζ Wx Vy Vz εχ sy ezJ (10)系統(tǒng)的白噪聲向量為W = \wVi、Wex We^ wEi 0 0 0 0 0 ο] (11)其中δ Ve δ Vn δ Vu分別表示東向、北向的速度誤差；Vjc 力分別為Χ、γ、Ζ軸 加速度計(jì)的零偏；ε χ ε y ε ζ分別為Χ、Υ、Ζ軸陀螺的常值漂移；wI mVz分別為X、Y軸加 速度計(jì)的白噪聲誤差wsy \分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差；系統(tǒng)噪 聲系數(shù) 矩陣為
(8
Z(t)
(12)
O3x6 O3x6 O6x6
O3X3
-Q"'
6x3
δ X3
C O3 O6
I_I
Il
權(quán)利要求
一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是(1)采集CCD星敏感器的輸出CCD星敏感器的坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系即i系之間的姿態(tài)信息(2)采集當(dāng)?shù)匚恢眯畔⒓唇?jīng)度和緯度，得到地球坐標(biāo)系即e系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系即n系的轉(zhuǎn)換矩陣(3)求解e系相對(duì)于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣(4)通過(guò)(1)、(2)、(3)步驟中所給出的信息，解算得到姿態(tài)矩陣；(5)將步驟(4)中得到的姿態(tài)矩陣經(jīng)過(guò)換算得到失準(zhǔn)角，將其作為觀測(cè)方程，代入卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波估計(jì)；(6)通過(guò)步驟(5)估計(jì)出陀螺的常值漂移和加速度計(jì)零偏。FSA00000188977700011.tif,FSA00000188977700012.tif,FSA00000188977700013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述采集CCD 星敏感器的輸出的方法為i系與船舶載體坐標(biāo)系即b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為^,其中為CCD星敏感器坐標(biāo)系即s系與b系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，在導(dǎo)航設(shè)備裝船時(shí)通過(guò) 光學(xué)瞄準(zhǔn)精確獲得；將天球坐標(biāo)系O-UVW按照先繞W軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)w角，得到O-U1V1W1坐標(biāo)系，再繞U1逆時(shí) 針轉(zhuǎn)u角，使W1軸與Zs重合，得到O-U2V2W2坐標(biāo)系，最后再繞W2軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ν角，得到 Os-UsUsVsWs 坐標(biāo)系；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述地球坐標(biāo) 系即e系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系即η系的轉(zhuǎn)換矩陣G為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述e系相對(duì) 于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣Cf為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述姿態(tài)矩陣為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述將姿態(tài)矩 陣經(jīng)過(guò)換算得到失準(zhǔn)角，將其作為觀測(cè)方程，代入卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波估計(jì)的方法為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法，其特征是所述估計(jì)出陀 螺的常值漂移和加速度計(jì)零偏的方法為使用一階線性隨即微分方程來(lái)描述捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的狀態(tài)誤差 X(t) = F(t)^(t) + G{t)W(t)其中X(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；F(t)和G(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣； W(t)為系統(tǒng)的噪聲向量； 系統(tǒng)的狀態(tài)向量為
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于CCD星敏感器的標(biāo)定方法。(1)采集CCD星敏感器的輸出CCD星敏感器的坐標(biāo)系相對(duì)于i系之間的姿態(tài)信息(2)采集當(dāng)?shù)匚恢眯畔?，得到地球坐?biāo)系e系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系n系的轉(zhuǎn)換矩陣(3)求解e系相對(duì)于i系之間的轉(zhuǎn)換矩陣(4)通過(guò)(1)、(2)、(3)步驟中所給出的信息，解算得到姿態(tài)矩陣；(5)將步驟(4)中得到的姿態(tài)矩陣經(jīng)過(guò)換算得到失準(zhǔn)角，將其作為觀測(cè)方程，代入卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波估計(jì)；(6)通過(guò)步驟(5)估計(jì)出陀螺的常值漂移和加速度計(jì)零偏。本發(fā)明的方法，短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)定結(jié)果。不需要進(jìn)行任何機(jī)動(dòng)措施，便可以估計(jì)出陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏。
文檔編號(hào)G01C25/00GK101943585SQ201010215400
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者于強(qiáng), 付建楠, 吳曉, 周廣濤, 奔粵陽(yáng), 張永剛, 張?chǎng)? 徐博, 胡丹, 高偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)