專利名稱：基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，屬于慣性導航技術領域。
背景技術：
自20世紀50年代末捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的概念提出以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于軍用、民用的多個領域，但是在精度、可靠性等方面還存在著不少的問題。總的來說，高精度的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的性能主要依賴于兩個方面高精度的慣導器件和理 想的導航算法。在捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中，機體的圓錐運動會產(chǎn)生所謂的圓錐誤差，由于圓錐誤差與劃船誤差等效，因此，對圓錐誤差補償算法的深入研究不僅有利于提高捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的姿態(tài)精度，也有利于提高捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的整體導航水平。自1971年Bortz提出等效轉(zhuǎn)動矢量概念并分析了圓錐運動誤差理論基礎后，國外學者對圓錐誤差補償算法進行了大量深入的研究。但算法大多以角增量為輸入信息，而對純角速率輸入的圓錐誤差補償算法的研究不多見，相關研究表明，將速率陀螺的輸出乘以采樣時間間隔作為角增量，直接代入角增量輸入的圓錐誤差補償公式，不能有效地提高姿態(tài)角度精度。國內(nèi)有學者利用硬件積分得到的角增量對系統(tǒng)圓錐誤差進行補償，但硬件積分器的加入不僅增加了捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)成本，也增加了捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的復雜度；也有學者研究了純角速率輸入的姿態(tài)算法，推導了一種純角速率輸入圓錐誤差補償算法，但是在圓錐誤差補償算法優(yōu)化上所采用的方法仍然為泰勒展開方法，該方法只適用于處于低動態(tài)和單一環(huán)境下的系統(tǒng)，在高動態(tài)和復雜環(huán)境下的導航精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)的角速率輸入的捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化算法因不能全局考慮圓錐頻率和姿態(tài)更新周期的影響而導致的圓錐誤差補償優(yōu)化參數(shù)不適用于高動態(tài)和復雜環(huán)境下的捷聯(lián)慣導姿態(tài)解算的問題，開展圓錐誤差補償算法研究，提出了一種基于角速率輸入的構造環(huán)境下的全局頻域最優(yōu)捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，從而建立適用于高動態(tài)和復雜環(huán)境的捷聯(lián)慣導姿態(tài)更新方法。本發(fā)明為解決其技術問題采用如下技術方案
一種基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟
(1)在圓錐運動條件下建立更新旋轉(zhuǎn)矢量的理論值和估計值；
(2)建立基于角速率輸入的旋轉(zhuǎn)矢量更新誤差準則；
(3)根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定圓錐頻率上限和子樣周期并構建權重函數(shù)；
(4 )提出優(yōu)化方法，建立優(yōu)化目標；
(5)求解用于圓錐誤差補償?shù)膬?yōu)化系數(shù)。步驟(I)中所述在圓錐運動條件下建立更新旋轉(zhuǎn)矢量的理論值和估計值的方法如下首先給出圓錐運動環(huán)境下時刻載體系，定義為 系相對于導航系，定義為《系的角速率輸出值在手下的投影的定義,根據(jù)此定義，并結合姿態(tài)四元數(shù)更新方程β(￡+Α)=β(ο 2(/2),導出時間區(qū)間
權利要求
1.一種基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟(1)在圓錐運動條件下建立更新旋轉(zhuǎn)矢量的理論值和估計值；(2)建立基于角速率輸入的旋轉(zhuǎn)矢量更新誤差準則；(3)根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定圓錐頻率上限和子樣周期并構建權重函數(shù)；(4 )提出優(yōu)化方法，建立優(yōu)化目標；(5)求解用于圓錐誤差補償?shù)膬?yōu)化系數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于步驟(I)中所述在圓錐運動條件下建立更新旋轉(zhuǎn)矢量的理論值和估計值的方法如下首先給出圓錐運動環(huán)境下I時刻載體系，定義為b系，相對于導航系定義為η系的角速率輸出值在 系下的投影的定義，根據(jù)此定義，并結合姿態(tài)四元數(shù)更新方程= 抑)，導出時間區(qū)間[U + A]內(nèi)的姿態(tài)更新四元數(shù)WA)的表達
3.根據(jù)權利要求1所述的基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于步驟(2)中所述的建立基于角速率輸入的旋轉(zhuǎn)矢量更新誤差準則的方法如下定義誤差準則為e = ΦΖ~ΦΧ,即更新旋轉(zhuǎn)矢量理論值和估計值在χ軸上的分量之差，其中Φ,為更新旋轉(zhuǎn)矢量理論值在^軸上的分量，Φ,為更新旋轉(zhuǎn)矢量估計值在軸上的分量，將步驟(O中獲得的更新旋轉(zhuǎn)矢量理論值Φ和估計值#的表達式代入上述誤差準則，對2) 作一階近似，即sin(ca/2) κι a/2 ,從而導出誤差e的具體描述紀
4.根據(jù)權利要求1所述的基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于步驟(3)中所述的根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定圓錐頻率上限和子樣周期并構建權重函數(shù)的方法如下系統(tǒng)在工作過程中，采樣周期T恒定，圓錐頻率與采樣周期了有關的圓錐頻率參數(shù)聲e
隨時間！發(fā)生變化，先根據(jù)系統(tǒng)技術性能指標確定最大圓錐頻率和采樣周期7，再根據(jù)關系式,5 = ΩΓ確定β的最大值L ;半錐角a與圓錐頻率 Ω或圓錐頻率參數(shù)盧之間的關系的處理，一是設定半錐角β為某一常數(shù)；或者是基于機動極限條件設定半錐角a與圓錐頻車&的關系，通過角速率極限 μ和角加速度極限毛》對半錐角a與圓錐頻率Ω或半錐角《與圓錐頻率參數(shù)-的具體關系做限制性描述。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于步驟(4)中所述的建立優(yōu)化目標的方法如下姿態(tài)優(yōu)化的準則為，當圓錐頻率參數(shù)4的取值范圍為時，誤差e(灼的絕對數(shù)值之和達到最小，或是當圓錐頻率參數(shù)盧的取值范圍為
時，使誤差<灼的平方之和達到最小，從而得到優(yōu)化目標為_(
6.根據(jù)權利要求1所述的基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于步驟(5)中所述的求解圓錐誤差補償優(yōu)化系數(shù)的方法如下為實現(xiàn)步驟(4)中提出的優(yōu)化目標，首先將對優(yōu)化系數(shù)=分別求一階偏導，并置各偏導數(shù)為零，描述為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于角速率輸入的構造頻域捷聯(lián)慣導姿態(tài)優(yōu)化方法，屬于慣性導航技術領域。該方法在圓錐運動環(huán)境下，開展圓錐誤差補償算法研究，建立純角速率輸入的圓錐誤差補償模型；在構建近于實際載體運行環(huán)境的基礎上，統(tǒng)籌考慮圓錐運動頻率和子樣周期，采用在選定的圓錐頻率范圍內(nèi)的誤差平方和最小的方法，獲取圓錐誤差補償優(yōu)化系數(shù)。本發(fā)明充分考慮了運載體的實際運動狀況，使捷聯(lián)慣導姿態(tài)解算綜合性能得到提高，尤其在高動態(tài)和復雜環(huán)境下的精度更高。
文檔編號G01C21/16GK102997920SQ20121052851
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權日2012年12月11日
發(fā)明者陳熙源, 湯傳業(yè), 黃浩乾, 方琳 申請人:東南大學