一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于初始對準中誤差補償領域，具體涉及一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法。本發(fā)明包括：采集光纖陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)和石英加速度計輸出的加速度數(shù)據(jù)；通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度數(shù)據(jù)進行補償；采用解析法來完成粗對準，選取濾波初始值；估計出平臺失準角；完成精確的初始對準。發(fā)明中捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法是，根據(jù)已知的經緯度值并通過EGM2008模型計算出對準點的重力擾動值，然后算出的重力擾動值從加速度計中剔除掉，就得到重力擾動補償后加速度計的輸出，仿真結果表明重力擾動補償后可提高初始對準精度。
【專利說明】一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于初始對準中誤差補償領域，具體涉及一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾 動的補償方法。

【背景技術】
[0002] 初始對準是捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)關鍵技術之一。初始對準精度直接影響捷聯(lián)慣性導 航系統(tǒng)的工作精度。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)初始對準的主要目的是建立姿態(tài)矩陣的初值，初始 對準中通過初始對準狀態(tài)空間模型，利用卡爾曼濾波將初始失準角狀態(tài)估計出來并用以校 正姿態(tài)矩陣。傳統(tǒng)的對準過程包括粗對準和精對準兩個階段，首先用粗對準模型粗略估計 出失準角的大小，然后再利用精對準模型估計出失準角的大小而實現(xiàn)精對準。捷聯(lián)慣性導 航系統(tǒng)的嚴格數(shù)學誤差模型是一組非線性微分方程，而實際粗對準的失準角在很多情況下 為大角度，因此采用非線性模型更能真實的反映誤差傳播特性。
[0003] 慣性導航解算時通常用的是正常重力值，正常重力值是將地球近似為一個質量均 勻的旋轉橢球模型而得到的重力值；而實際由于地球內部質量分布不均勻，重力矢量包括 正常重力和重力擾動。由于不同地區(qū)地球內部質量分布不同，這些重力擾動在地表或者海 平面上是變化的。慣性加速度計不能區(qū)分地球重力的切線方向分量和機體的水平加速度， 因此這些重力擾動會引起慣導系統(tǒng)解算誤差。在慣性導航中，使用加速度計測量載體位置 的比力矢量，比力矢量是測量點絕對加速度5與重力加速度g之差為：/ = 5-g。從測得 的比力中補償?shù)粢铀俣?，就可以得到載體的絕對加速度，再根據(jù)絕對加速度和相對加 速度的關系，慣導系統(tǒng)可進一步求得載體的相對速度、位置。顯然，如果航跡上的重力加速 度f不能真實的反映實際重力加速度，那么將會導致測量點加速度的誤差，進一步導致導 航解算誤差。隨著慣性器件精度不斷提高與高精度慣性導航系統(tǒng)需求的發(fā)展，重力擾動成 為高精度慣導初始對準的一項主要誤差源。初始對準的精度的高低直接影響到慣性導航的 精度，要實現(xiàn)高精度的慣性導航有必要補償初始對準中的重力擾動。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了提高初始對準的精度，補償初始對準時存在的重力擾動，提 出用地球重力場模型EGM2008計算重力擾動并加以補償?shù)慕萋?lián)慣導初始對準中重力擾動 的補償方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0006] (1)采集光纖陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)和石英加速度計輸出的加速度數(shù)據(jù)；
[0007] (2)通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度 數(shù)據(jù)進行補償；
[0008] (3)采用解析法來完成粗對準，通過初始矩陣Q'(0)確定載體的姿態(tài)信息即縱搖 角、橫搖角、航向角，其中b代表載體坐標系，n'代表計算導航坐標系；
[0009] (4)選取濾波初始值
[0010] i〇 = ￡[.V()], Pn = E[(x0 -x0)(x0 -?)7 ],
[0011] 其中Xtl為狀態(tài)變量的初值，Ptl為狀態(tài)變量的初始誤差協(xié)方差矩陣；
[0012] (5)利用無跡卡爾曼濾波方法進行濾波，估計出平臺失準角；
[0013] (6)利用估計出來的平臺失準角修正系統(tǒng)的捷聯(lián)初始矩陣Cf(O)，得到精確的初 始捷聯(lián)矩陣q(0)，即(^(O) = Ciqqoh從而完成精確的初始對準。
[0014] 重力擾動位T ( P , L,入），
[0015]

【權利要求】
1. 一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在于： (1) 采集光纖陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)和石英加速度計輸出的加速度數(shù)據(jù)； (2) 通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度數(shù)據(jù) 進行補償； (3) 采用解析法來完成粗對準，通過初始矩陣q：'(〇)確定載體的姿態(tài)信息即縱搖角、橫 搖角、航向角，其中b代表載體坐標系，n'代表計算導航坐標系； (4) 選取濾波初始值 i-(1 = ￡[.v(1], /> = Ε[(χ0 -Λ-())(Λ-0 ^ 其中Xtl為狀態(tài)變量的初值，Po為狀態(tài)變量的初始誤差協(xié)方差矩陣； (5) 利用無跡卡爾曼濾波方法進行濾波，估計出平臺失準角； (6) 利用估計出來的平臺失準角修正系統(tǒng)的捷聯(lián)初始矩陣C/(〇)，得到精確的初始捷 聯(lián)矩陣G(O)，即q(o) = C;〉Cf (0)，從而完成精確的初始對準。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的重力擾動位T ( P，L，λ )，
地球平均半徑為R，Θ =90-L是地心余緯度，位系數(shù)CM，Snm是已知的重力擾動的系數(shù)， 可通過EGM2008重力場模型獲得，L表示地球緯度，λ為地球經度，p為對準地點處的地心 向徑，GM為地球常系數(shù)，Ρ?( ·)為締合勒讓德多項式：
X為變量，I X I < I ;η稱為階，m稱為次，N = [ (n-m)/2]; 重力擾動位的梯度即為重力擾動矢量Sgn:
通過重力擾動矢量得到極坐標系下的重力擾動值：
在東北天-ENU地理坐標系上，重力擾動矢量3個軸向的分量為轉換到 地理坐標系為：
然后對加速度計的輸出進行補償。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的初始矩陣：
Θ(Ι是縱搖角，Y (I是橫搖角，％是航向角。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的狀態(tài)變量是平臺失準角、水平速度誤差。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的步驟（5)包括： (5. 1)構造2η+1維的Sigma點
其中4+1為k-Ι時刻的狀態(tài)估計,Plrf為k-Ι時刻的狀態(tài)誤差協(xié)方差矩陣,m為系統(tǒng)狀態(tài) 變量的維數(shù)，κ為比例系數(shù)，可用于調節(jié)Sigma點和的距離； (5. 2)確定權值
(5. 3)通過濾波方程進行時間更新
由％-1和Ph計算Sigma點ξ n，通過非線性狀態(tài)函數(shù)( ·)傳播為YkH，由YkH 可得狀態(tài)預測.和預測誤差協(xié)方差陣Pk/k+ Qlrt為系統(tǒng)噪聲； (5. 4)通過濾波方程進行量測更新 Kk = PkutfU+Rk)-1 Pk= (I-KkH)Pk^1 其中Rk為量測噪聲，Kk為濾波增益，Pk為估計誤差協(xié)方差矩陣，毛為狀態(tài)估計值其中 包括平臺失準角。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種捷聯(lián)慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述濾波方程包括狀態(tài)方程 文=/⑷+ ，系統(tǒng)噪聲向量『? < < wL <T
其中，心，馬分別為地球子午、卯酉曲率半徑，Φχ，Φρ小2為三個方向的平臺失準 角；Svx，δ'為速度誤差；L為當?shù)鼐暥?；Wie為地球自轉角速度； 為三個軸向的 陀螺漂移；為陀螺零均值高斯白噪聲；為三個軸向的加速度零偏； 為加速度計零均值高斯白噪聲；fx，fy，fz為加速度輸出比力在計算地理坐標系 上的值；C' u是載體系到計算地理系矩陣中的元素； 量測方程為： Z = HX+V 其中，量測量Z為慣導水平速度誤差δ vx，SVy ;H= [I2X2 02X3]，I2x2為單位二階矩陣， O2x3為2行3列零矩陣；V為量測噪聲。
【文檔編號】G01C25/00GK104374401SQ201410542256
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】何昆鵬, 王曉雪, 王剛, 王晨陽, 韓繼韜, 邵玉萍, 張興智, 張琳, 胡璞, 徐旭 申請人:哈爾濱工程大學