專利名稱：一種基于模糊變地球自轉(zhuǎn)角速度的快速精對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種導(dǎo)航領(lǐng)域的對(duì)準(zhǔn)方法，具體地說是用于捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的初始姿態(tài)確定的方法。
背景技術(shù)：
捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(StrapdownInertial Navigation System 簡(jiǎn)稱 SINS)的基本原理是根據(jù)牛頓提出的相對(duì)慣性空間的力學(xué)定律，利用加速度計(jì)、陀螺儀測(cè)量載體慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定的運(yùn)動(dòng)初始條件下，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分運(yùn)算，連續(xù)、實(shí)時(shí)地提供位置、速度和姿態(tài)信息。根據(jù)SINS的基本原理，SINS在導(dǎo)航定位解算之前必須獲得初始信息，包括初始位置、速度和姿態(tài)。SINS的初始位置和速度信息較初始姿態(tài)容易獲得， 初始姿態(tài)確定的精度就是SINS進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)時(shí)的初始精度。因此，SINS開始工作時(shí)進(jìn)行快速精確的初始姿態(tài)的確定是十分重要的一步?，F(xiàn)有的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)確定分為粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)階段。粗對(duì)準(zhǔn)階段就是在靜基座條件下，將陀螺儀和加速度計(jì)輸出直接引入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，計(jì)算出載體的初始姿態(tài)。用此方法時(shí)，常常忽略陀螺儀和加速度計(jì)的誤差和外部干擾因素，然而這些因素會(huì)導(dǎo)致誤差，因此初始姿態(tài)計(jì)算精度不高。精對(duì)準(zhǔn)階段是在粗對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法，對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算出導(dǎo)航坐標(biāo)系與真實(shí)導(dǎo)航坐標(biāo)系的失準(zhǔn)角，建立準(zhǔn)確的初始姿態(tài)矩陣。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)要求對(duì)準(zhǔn)精度高，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短。以速度誤差作為觀測(cè)量的靜基座精對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的可觀測(cè)性和可觀測(cè)度差，是制約其對(duì)準(zhǔn)精度和快速性的重要原因，特別是方位角的觀測(cè)度低，導(dǎo)致方位失準(zhǔn)角的估計(jì)效果很差。關(guān)于快速對(duì)準(zhǔn)，已有的文獻(xiàn)的常規(guī)思路都是如何提高方位角的可觀測(cè)度，如增加方位傳感器或者進(jìn)行多位置對(duì)準(zhǔn)等。如專利號(hào)ZL200510130615. 7的發(fā)明專利一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的任意雙位置初始對(duì)準(zhǔn)方法；如專利號(hào)ZL200810064146. 7的發(fā)明專利基于濾波的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)兩位置初始對(duì)準(zhǔn)方法；是在對(duì)準(zhǔn)過程中利用位置轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行多位置對(duì)準(zhǔn)來提高系統(tǒng)的可觀性和可觀度，雖然這些方法已經(jīng)不需要難以實(shí)現(xiàn)的精密位置轉(zhuǎn)臺(tái)了，但還是需要在位置轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行，限制了工程應(yīng)用。如專利號(hào)200810019357.9的發(fā)明專利捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的快速精對(duì)準(zhǔn)方法；是通過增加磁傳感器和傾角傳感器來提高捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的可觀性，但是該方法利用的方位傳感器一般都是地磁傳感器，這種地磁傳感很容易收外部的干擾，尤其載體是磁導(dǎo)體時(shí)，地磁傳感很難正常工作，很難實(shí)際使用。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，找到一種能夠提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度和反應(yīng)能力的方法，對(duì)提高整個(gè)捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能具有非常重要的軍事意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供實(shí)用性好、精度高、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短的一種基于模糊變地球自轉(zhuǎn)角速度的快速精對(duì)準(zhǔn)方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種基于模糊變地球自轉(zhuǎn)角速度的快速精對(duì)準(zhǔn)方法包括以下步驟(1)通過外部設(shè)備確定載體的初始位置參數(shù)，并將其裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；(2) SINS預(yù)熱準(zhǔn)備，采集加速度計(jì)和陀螺儀輸出；(3)利用采集到的加速度計(jì)和陀螺儀輸出，通過標(biāo)準(zhǔn)的解析法進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，確定粗略的初始姿態(tài)矩陣；(4)粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后進(jìn)入精對(duì)準(zhǔn)階段，令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度^ Oe表示真實(shí)地球自轉(zhuǎn)速度；(5)根據(jù)加速度計(jì)的輸出和粗對(duì)準(zhǔn)獲得初始姿態(tài)，以及計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行卡爾曼濾波一步迭代計(jì)算；(6)確定精對(duì)準(zhǔn)時(shí)間tf，使tf的取值大于濾波的收斂時(shí)間且小于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠允許的最大時(shí)間。(7)判斷精對(duì)準(zhǔn)tf計(jì)時(shí)是否結(jié)束，若精對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)結(jié)束則令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度 ^ De，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣， 完成精確初始對(duì)準(zhǔn)；若精對(duì)準(zhǔn)未結(jié)束，則根據(jù)卡爾曼濾波估計(jì)誤差方差Pk計(jì)算兩個(gè)誤差距離#和劣，其中f厥\ ,Sk2 「/z% ,Mf1為東向誤差角估計(jì)誤差的方差、 Mf3為方位誤差角估計(jì)誤差的方差、為方位角的期望穩(wěn)定誤差，通過模糊推理的方法估算出計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度辟 =^，返回步驟( 進(jìn)行卡爾曼迭代計(jì)算直至精對(duì)準(zhǔn)結(jié)束，令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度辟 De，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于不需要增加任何外觀測(cè)設(shè)備，僅需要對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精對(duì)準(zhǔn)算法進(jìn)行更新；無需提供輔助位置轉(zhuǎn)臺(tái)，工程實(shí)現(xiàn)容易；有效提高了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精對(duì)準(zhǔn)的快速性。


圖1是模糊推理的輸入隸屬度函數(shù)；圖2是模糊推理的輸出隸屬度函數(shù)；圖3是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的流程圖；圖5是不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的東向誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線；圖6是不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的北向誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線；圖7是不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的方位東向誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線；圖8是模糊推理估出的地球自轉(zhuǎn)角速度與不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的東向誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線；圖9是模糊推理估出的地球自轉(zhuǎn)角速度與不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的北向誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線；圖10是模糊推理估出的地球自轉(zhuǎn)角速度與不同地球自轉(zhuǎn)角速度時(shí)慣導(dǎo)的方位誤差角估計(jì)誤差對(duì)比曲線。
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)地描述實(shí)施方式1 結(jié)合圖1 10，本發(fā)明包括以下步驟(1)通過外部設(shè)備確定載體的初始位置參數(shù)，并將其裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；(2) SINS預(yù)熱準(zhǔn)備，采集加速度計(jì)和陀螺儀輸出；(3)利用采集到的加速度計(jì)和陀螺儀輸出，通過標(biāo)準(zhǔn)的解析法進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，確定粗略的初始姿態(tài)矩陣；(4)粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后進(jìn)入精對(duì)準(zhǔn)階段，令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度^ Oe表示真實(shí)地球自轉(zhuǎn)速度；(5)根據(jù)加速度計(jì)的輸出和粗對(duì)準(zhǔn)獲得初始姿態(tài)，以及計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行卡爾曼濾波一步迭代計(jì)算；(6)確定精對(duì)準(zhǔn)時(shí)間tf，使tf的取值大于濾波的收斂時(shí)間且小于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠允許的最大時(shí)間。(7)判斷精對(duì)準(zhǔn)tf計(jì)時(shí)是否結(jié)束，若精對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)結(jié)束則令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度 ^ De，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣， 完成精確初始對(duì)準(zhǔn)；若精對(duì)準(zhǔn)未結(jié)束，則根據(jù)卡爾曼濾波估計(jì)誤差方差Pk計(jì)算兩個(gè)誤差距離#和劣，其中f厥\ ,Sk2 「/z% ,Mf1為東向誤差角估計(jì)誤差的方差、 Mf3為方位誤差角估計(jì)誤差的方差、為方位角的期望穩(wěn)定誤差，通過模糊推理的方法估算出計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度辟 =^，返回步驟( 進(jìn)行卡爾曼迭代計(jì)算直至精對(duì)準(zhǔn)結(jié)束，令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度辟 De，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明還包括如下特征1、步驟5中用到的系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程建立精對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程在東北天坐標(biāo)系中，顯然有〕
(0〕N 〕J，其中=)6表示真實(shí)地球自轉(zhuǎn)速度，識(shí)表示當(dāng)?shù)氐木暥龋? =^c0S(p oD 、Sinp。為了研究捷聯(lián)慣性系統(tǒng)靜基座下的初始對(duì)準(zhǔn)，考慮到陀螺隨機(jī)漂移誤差和加速度計(jì)的隨機(jī)偏差，忽略了位置誤差和垂直速度誤差，根據(jù)修正BaR-iTzhachk和Bermant的慣性誤差模型，得到系統(tǒng)的動(dòng)
態(tài)方程為
X(t) A(t)X(t)JW(t)(1)
Z{t) H{t)X{t)}V{t)(2)式(1)、⑵中，X(t)為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，Z(t)為系統(tǒng)的觀測(cè)向量；A(t)為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，H(t)為系統(tǒng)的觀測(cè)矩陣；W(t)，V(t)分別為系統(tǒng)的過程噪聲向量和觀測(cè)噪聲向量，其均值都為零的高斯白噪聲。系統(tǒng)的狀態(tài)向量為
權(quán)利要求
1. 一種基于模糊變地球自轉(zhuǎn)角速度的快速精對(duì)準(zhǔn)方法，其特征是(1)通過外部設(shè)備確定載體的初始位置參數(shù)，并將其裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；(2)SINS預(yù)熱準(zhǔn)備，采集加速度計(jì)和陀螺儀輸出；(3)利用采集到的加速度計(jì)和陀螺儀輸出，通過標(biāo)準(zhǔn)的解析法進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，確定粗略的初始姿態(tài)矩陣；(4)粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后進(jìn)入精對(duì)準(zhǔn)階段，令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度Ωε,表示真實(shí)地球自轉(zhuǎn)速度；(5)根據(jù)加速度計(jì)的輸出和粗對(duì)準(zhǔn)獲得初始姿態(tài)，以及計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行卡爾曼濾波一步迭代計(jì)算；(6)確定精對(duì)準(zhǔn)時(shí)間tf，使tf的取值大于濾波的收斂時(shí)間且小于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠允許的最大時(shí)間。(7)判斷精對(duì)準(zhǔn)tf計(jì)時(shí)是否結(jié)束，若精對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)結(jié)束則令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度= ，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)；若精對(duì)準(zhǔn)未結(jié)束，則根據(jù)卡爾曼濾波估計(jì)誤差方差Pk計(jì)算兩個(gè)誤差距離#和劣，其中《=|I、硿二^/^-從知，似^為東向誤差角估計(jì)誤差的方差、Λ4 為方位誤差角估計(jì)誤差的方差、hA (^為方位角的期望穩(wěn)定誤差，通過模糊推理的方法估算出計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度 =ηΩε，返回步驟( 進(jìn)行卡爾曼迭代計(jì)算直至精對(duì)準(zhǔn)結(jié)束， 令計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度Ωε，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種基于模糊變地球自轉(zhuǎn)角速度的快速精對(duì)準(zhǔn)方法，包括以下步驟確定載體的初始位置參數(shù)，采集加速度計(jì)和陀螺儀輸出，確定粗略的初始姿態(tài)矩陣，根據(jù)計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行卡爾曼濾波一步迭代計(jì)算，確定精對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，判斷是否精對(duì)準(zhǔn)是否結(jié)束，若結(jié)束則采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)，若未結(jié)束則返回進(jìn)行修正直至精對(duì)準(zhǔn)結(jié)束，之后同樣采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)出的失準(zhǔn)角，并用失準(zhǔn)角來修正系統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成精確初始對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明不需要增加任何外觀測(cè)設(shè)備，無需提供輔助位置轉(zhuǎn)臺(tái)，工程實(shí)現(xiàn)容易，有效提高了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精對(duì)準(zhǔn)的快速性。
文檔編號(hào)G01C21/18GK102221366SQ201110058569
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者史震, 戴曉強(qiáng), 趙琳 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)