基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，它涉及一 種慣性導航行進間初始對準方法，屬于慣性導航初始對準技術(shù)領(lǐng)域。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 慣性導航行進間初始對準是指載體在運動過程中完成慣性導航系統(tǒng)初始對準的 技術(shù)，因此，它是動基座初始對準技術(shù)的一種。慣性導航行進間初始對準技術(shù)對于增強載體 的機動能力和快速反應(yīng)能力具有不可估量的意義和作用。因此，如何在載體運動過程中實 現(xiàn)初始對準是一個值得研究的課題。
[0003] 與傳統(tǒng)的靜基座初始對準環(huán)境不同，在載體運動狀態(tài)下，載體的位置、速度、加速 度以及角速度都在不斷地發(fā)生變化，其對初始對準的影響主要具體表現(xiàn)為:一方面，線運動 會使慣性導航基本方程中的對地加速度、哥式加速度等參量時刻變化，因此在運動狀態(tài)下 無法利用加速度計輸出數(shù)據(jù)測得重力加速度的精確信息；另一方面，運動條件下載體振動 使得干擾角速度具有很寬的頻帶，陀螺儀輸出信號信噪比較低，無法從陀螺儀輸出數(shù)據(jù)中 將地球自轉(zhuǎn)角速度這一對準的有用信息提取出來。
[0004] 可見，在載體運動條件下，就不能單純依靠陀螺儀和加速度計的直接測量信息進 行初始對準，而需要引入測距或測速信息，以補償運動過程中有害加速度對初始對準精度 的影響。目前，慣性導航行進間對準方法目前主要有捷聯(lián)羅經(jīng)法、慣性系對準方法以及最優(yōu) 估計對準方法等。捷聯(lián)羅經(jīng)法應(yīng)用了成熟的經(jīng)典控制理論方法實現(xiàn)行進間初始對準，原理 簡單但對準時間較長且對陀螺的低頻干擾較為敏感，需要根據(jù)運動環(huán)境選取合適的控制參 數(shù)。慣性系對準方法以慣性空間為中間過渡坐標系，隔離載體角運動對初始對準的干擾，但 該方法僅對測量誤差做簡單處理，因而對準精度不高且不能獲取載體的位置信息。最優(yōu)估 計對準方法建立起慣性導航誤差方程，利用里程計等測速傳感器的測速信息作為量測信息 進行卡爾曼(Ka lman)濾波，估計出平臺失準角等關(guān)鍵誤差從而實現(xiàn)行進間初始對準。該方 法多是基于慣性導航線性化誤差模型的，需要先在靜止條件下獲取粗略的初始姿態(tài)矩陣才 可進行，因此，在一定程度上削弱了載體的機動性優(yōu)勢。
[0005] 由此可見，各方法各有其特點和適用性。為了既能在運動過程中獲取粗略姿態(tài)矩 陣，又能實現(xiàn)高精度姿態(tài)對準和位置導航，本發(fā)明單純以里程計速度采樣數(shù)據(jù)為對準輔助 信息提出一種基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行進間對準方法。該方法在僅知道初始 位置的條件下，即可實現(xiàn)高精度的慣性導航行進間初始對準。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行 進間初始對準方法。首先在載體運動過程中，利用里程計的測速信息為輔助進行粗對準獲 取粗略姿態(tài)矩陣，同時保存慣性測量元件(包括陀螺儀和加速度計)和里程計的采樣數(shù)據(jù)。 然后進行反向姿態(tài)跟蹤求得初始對準開始時刻的姿態(tài)矩陣。最后在此基礎(chǔ)上，利用保存的 慣性測量元件采樣數(shù)據(jù)和里程計速度采樣數(shù)據(jù)進行Kalman濾波精對準。最終實現(xiàn)高精度的 姿態(tài)對準和位置導航。
[0007] 本發(fā)明所提出的基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，用于 車載慣性導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲模塊、粗對準計算模塊、反向姿態(tài) 跟蹤計算模塊和精對準計算模塊。它們之間的關(guān)系是:傳感器子系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)分別傳遞 給數(shù)據(jù)存儲模塊和粗對準計算模塊;粗對準計算模塊計算出粗略初始姿態(tài)矩陣并將其傳遞 給反向姿態(tài)跟蹤計算模塊;反向姿態(tài)跟蹤計算模塊利用數(shù)據(jù)存儲模塊的傳感器數(shù)據(jù)進行反 向姿態(tài)跟蹤，并將其計算結(jié)果傳遞給精對準計算模塊。精對準計算模塊再利用數(shù)據(jù)存儲模 塊的數(shù)據(jù)進行精對準計算獲取精確對準姿態(tài)矩陣和位置導航結(jié)果。
[0008] 本發(fā)明提出基于反向姿態(tài)跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，具體包括 以下步驟：
[0009]步驟一:建立過渡參考坐標系；
[0010] 整個對準算法建立的四個重要的過渡參考坐標系為初始時刻慣性坐標系（i〇系）、 初始時刻地球坐標系（eo系）、初始時刻導航坐標系(no系）和初始時刻載體坐標系（ib0系）， 其定義如下：
[0011] (1)初始時刻慣性坐標系（io系）
[0012]初始對準開始時，〇xlQ在當?shù)刈游缑鎯?nèi)，與赤道平面平行;0ZlQ指向地球自轉(zhuǎn)軸方 向；OYiQ與OXiQ和0ZiQ組成右手螺旋坐標系；初始對準開始后，io系三軸相對于慣性空間不 變；
[0013] ⑵初始時亥I」地球坐標系(eo系）
[0014] 初始時刻地球坐標系以地球中心為坐標系原點，OXm在赤道平面內(nèi)指向當?shù)刈游?線方向；OZio指向地球自轉(zhuǎn)軸方向；OYi〇與OXi〇和OZi〇組成右手螺旋坐標系；該坐標系相對于 地球表面靜止不動；
[0015] (3)初始時刻導航坐標系(n〇系）
[0016] 將初始對準開始時刻的東-北-天導航坐標系作為初始時刻導航坐標系;初始對準 開始后，該坐標系相對于地球表面不動；
[0017] ⑷初始時亥懺體坐標系（ib0系）
[0018] 將初始對準開始時刻的右-前-上載體坐標系作為初始時刻載體坐標系;初始對準 開始后，該坐標系相對于慣性空間不動；
[0019] 步驟二:在載體運動過程中，根據(jù)傳感器子系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)計算粗略姿態(tài)矩陣；
[0020] 以io系為過渡參考坐標系，導航坐標系(η系)相對于載體坐標系(b系)姿態(tài)矩陣 的計算分為兩個部分，其計算過程如式(1)所示
[0021] (1)
[0022]其中，C,；；為n系相對于iQ系的轉(zhuǎn)換矩陣；Cf為i〇系相對于b系的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0023] a計算矩陣q
[0024] 通過過渡參考坐標系no系、eo系，該矩陣的計算過程又可分為四個部分，即：
[0025] ⑵
[0026] 式中，^丨為!!系相對于地理坐標系（e系）的轉(zhuǎn)換矩陣；?；為e系相對于nQ系的轉(zhuǎn)換 矩陣；
[0027] 為nQ系相對于eQ系的轉(zhuǎn)換矩陣；C；?為eQ系相對于 iQ系的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0028] 由于在粗對準模塊中無法精確獲取載體位置，因此，式(2)近似為：
[0033]式中，Lo為初始對準開始時的地理煒度；coie為地球自轉(zhuǎn)角速度；Δ t為當前時刻t 與初始對準開始時刻tstart的時間差，即Δ t = t_tstart;將式(4-5)代入式(3)中后，可得：
[0035] b計算矩陣0
[0036] 以ibQ系為過渡參考坐標系，io系相對于b系的轉(zhuǎn)換矩陣的計算分為兩個部分， 即：
[0037] Q =Cl-Ct (7)
[0038] 其中，為iQ系相對于ibQ系的轉(zhuǎn)換矩陣；為ibQ系相對于b系的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0039] 利用陀螺儀的測量角速度通過姿態(tài)矩陣微分方程(8)可直接得到矩陣
[0041] 式中，由于ib〇系與io系均相對于慣性坐標系（i系)不動，因此可用慣性測量元件的 角速度采樣數(shù)據(jù)直接代替ω?;另外，在初始對準開始時刻，i bQ系與b系重合，所以矩陣 Cp的積分計算初值為單位陣I3X3;
[0042] 矩陣的計算需要用到地球重力加速度在慣性系中慢漂的性質(zhì)；其計算方法如 下：
[0043] i b〇系和i 〇系均相對慣性空間不動，因此易知，矩陣<^°。為以常值矩陣;對載體速度 V" =?：·ν6兩邊求導可得：
[0044] r = c^-fk+ci：·^ (69)
[0045]其中，為載體加速度在η系中的分量為載體加速度在b系中的分量；
[0046]將其代入慣性導航基本方程中，則慣性導航基本方程可改寫如式（10)所示的形 式；
[0047] c； . νΛ + Cl V + (ω；； + ω；；,)χ v,f-Γ = g" (10)
[0048] 其中，gn為地球重力加速度在η系中的分量;為地球自轉(zhuǎn)角速度在η系中的分量； <4為η系相對于i系的旋轉(zhuǎn)角速度;Γ為慣性測量元件的比力采樣數(shù)據(jù)在η系中的分量；
[0049] 又已知姿態(tài)矩陣微分方程Q X]，其中為b系相對于η系的旋轉(zhuǎn)角速 度。將其代入(10)中，可得：
[0050] q ·0)：*,X +Q wb + (ω：：, + ω；；,)χνη -?η = gn (Π )
[0051] 式中，可忽略不計，上式進一步改寫為式（12);
[0052] V6 + X -f^ -g^' ( 12)
[0053] 其中，gb為地球重力加速度在b系中的分量;fb為慣性測量元件的比力采樣數(shù)據(jù);vb 用里程計速度采樣數(shù)據(jù)4構(gòu)成的速度測量矢量[0 v| of代替;而礦用里程計速度測量矢 量微分[0 V, of代替；需要說明的是，由于里程計速度采樣數(shù)據(jù)中含有噪聲，直接微分會 放大噪聲而導致對準精度下降，因此需要使用跟蹤微分器對4進行微分處理得到噪聲干擾 較小的讒;
[0054] 為了獲取矩陣g?。，需要通過gb與#間的重要關(guān)系式（13);
[0055] Qa gb = C；M · C： gB tl3)
[0056] 式中，地球重力加速度在b系下的分量gn=[0 0 _g]T為已知量;矩陣均可 由前面的計算得到，因此矩陣Ct的求解只需根據(jù)式（13)構(gòu)造三個不在同一平面的向量即 可；
[0057] 為了構(gòu)造向量，同時削弱噪聲，將（13)式兩邊進行積分處理，得到：
[0060]得到轉(zhuǎn)換矩陣Ct，需要通過0與8"間的重要關(guān)系式
[0062] 其中，CT、均可由前面的計算得到;將上式兩邊積分得
[0063] = C^u ·if°: (16)
[0064] 取兩個時刻t#Pt2的積分值<°、C和&