一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法。利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中；空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，采集陀螺儀和加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；建立空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于搖擺基座下的狀態(tài)方程和量測方程；將狀態(tài)方程和量測方程的離散化處理；利用估計(jì)出的三個(gè)姿態(tài)誤差角，修正粗對準(zhǔn)時(shí)的方向余弦矩陣，以此實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)角的求取。
【專利說明】一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法 (一）

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種測量方法，尤其涉及的是一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始 姿態(tài)測量方法。 (二）

【背景技術(shù)】
[0002] 空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)牛頓力學(xué)定律，通過對這 些慣性元件采集的信息進(jìn)行處理，得到載體的姿態(tài)、速度、位置、加速度、角速度和角加速度 等全導(dǎo)航信息的完全自主導(dǎo)航設(shè)備。由于其具有重量輕、可靠性高、便于維護(hù)、全天候和完 全自主等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 根據(jù)空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理，導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)前需要獲得 初始信息，包括初始位置、速度和姿態(tài)。其中初始姿態(tài)的精度就是導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)時(shí) 的初始對準(zhǔn)精度，因此在空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)前必須首先完成初始姿態(tài) 的確定。
[0004] 空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量的過程包括粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)兩個(gè)階段。傳 統(tǒng)的初始姿態(tài)測量的方法能實(shí)現(xiàn)普通捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速初始姿態(tài)的確定，但是對于采用空 間穩(wěn)定布局的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其特殊的導(dǎo)航解算特性及結(jié)構(gòu)導(dǎo)致現(xiàn)有對準(zhǔn)方法無法滿足要 求，因此如何獲得高精度的初始姿態(tài)角成為空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。 (三）


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo) 系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法，其 特征在于建立空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于搖擺基座下的狀態(tài)方程和量測方程后并實(shí)現(xiàn) 離散化，利用估計(jì)出的三個(gè)姿態(tài)誤差角修正粗對準(zhǔn)時(shí)的方向余弦矩陣，以此實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)矩陣 的求取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的獲取。其具體步驟如下：
[0007] (1)利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī) 中；
[0008] (2)空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，采集陀螺儀和加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù) 并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
[0009] (3)建立空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于搖擺基座下的狀態(tài)方程和量測方程；
[0010] 系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t)為：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 利用全球定位系統(tǒng)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中； (2) 空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，采集陀螺儀和加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并對 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； (3) 建立空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于搖擺基座下的狀態(tài)方程和量測方程； 系統(tǒng)狀態(tài)變量X(t)為：
由空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)解算的速度和載體真實(shí)速度之差構(gòu)建的觀測量Z(t)為：
式中，
分別表示x、y、z方向上的速度誤差；ε χ、ε y、ε z分別表示X、y、 z方向上陀螺常值漂移，
分別表示X、y、z方向上加速度計(jì)零偏，
分 別表示空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)解算的X、y、z方向上速度，G、F；和G為載體x、y、z方向 真實(shí)速度； 其中，載體的真實(shí)速度表示為：
其中，At表示時(shí)間差；表示地球自轉(zhuǎn)角速度；g表示當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；L、λ分別表 示當(dāng)?shù)鼐暥群徒?jīng)度； 則空間穩(wěn)定型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)測量的狀態(tài)方程和量測方程可寫成：
其中，
表示狀態(tài)變量X(t)的導(dǎo)數(shù)；Z(t)表示觀測變量；W(t)為系統(tǒng)的噪聲矢量； v(t)為觀測噪聲矢量； 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A (t)為：
噪聲狀態(tài)矩陣G(t)為：
量測矩陣H (t)為：
(4) 狀態(tài)方程和量測方程的離散化處理； 連續(xù)系統(tǒng)離散化的實(shí)質(zhì)是根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A(t)計(jì)算出離散系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移 矩陣〇k,H，以及用系統(tǒng)的噪聲方差強(qiáng)度陣q計(jì)算出離散系統(tǒng)的噪聲方差陣Qk ; 一般濾波周期T較短，Φμη和Qk可按照下式計(jì)算：
式中，Ak表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A (t)的離散形式； Mi+1 = AkMi+(AkMi)Ti = 1,2,3 ……
Gk表示k時(shí)刻離散化的系統(tǒng)噪聲狀態(tài)矩陣；系統(tǒng)的離散方程可以表示如下：
式中，ΧρΧη分別表示k時(shí)刻和k-Ι時(shí)刻離散化的系統(tǒng)狀態(tài)變量；Gh表示k-Ι時(shí)刻離 散化的系統(tǒng)噪聲狀態(tài)矩陣；Zk表示離散化的系統(tǒng)觀測變量；Hk表示離散化的系統(tǒng)量測矩陣； Wk_i、Vk分別表示離散化的系統(tǒng)白噪聲序列和量測噪聲序列； (5) 利用估計(jì)出的三個(gè)姿態(tài)誤差角，修正粗對準(zhǔn)時(shí)的方向余弦矩陣
修正后的方向余弦矩陣為：
式中，G表示姿態(tài)誤差角反對稱矩陣：
其中，
分別表示卡爾曼濾波估計(jì)出的x、y、z方向上姿態(tài)誤差角；根據(jù)方向 余弦矩陣的變換關(guān)系，得到載體坐標(biāo)系b到地理坐標(biāo)系η的捷聯(lián)矩陣

其中，
表示載體坐標(biāo)系b到慣性坐標(biāo)系i的轉(zhuǎn)換矩陣；C；1表示慣性坐標(biāo)系i到地理坐 標(biāo)系η的轉(zhuǎn)換矩陣：
【文檔編號】G01C25/00GK104154914SQ201410372718
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】孫偉, 李松, 丁偉, 李瑞豹 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)