技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)的高精度傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，其屬于慣性導(dǎo)航、傳遞對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
：

傳遞對(duì)準(zhǔn)即采用主慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的參考信息和子慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的相應(yīng)信息進(jìn)行匹配，從而獲取子慣導(dǎo)所需的初始姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始初始對(duì)準(zhǔn)。它是新一代快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)發(fā)射武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以極大的提高武器系統(tǒng)的反應(yīng)速度和防區(qū)外攻擊能力。但是由于載體發(fā)生撓曲變形和子慣導(dǎo)安裝誤差的存在，動(dòng)基座傳遞對(duì)準(zhǔn)的性能和品質(zhì)會(huì)受到很大影響。

近年來(lái)，機(jī)上高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)使機(jī)載電子設(shè)備分布集成結(jié)構(gòu)引入到現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)系統(tǒng)。再加上現(xiàn)代作戰(zhàn)飛行器對(duì)慣性信息更強(qiáng)的依賴和更高可靠性需求促成了慣性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究和發(fā)展。為了確保作戰(zhàn)飛行器安全飛行和順利完成指定任務(wù)需要載體多個(gè)位置如飛行器重心、飛行器前身、機(jī)載武器和瞄準(zhǔn)設(shè)備等的可靠的慣導(dǎo)信息。網(wǎng)絡(luò)化作為慣性技術(shù)的新型應(yīng)用，極具發(fā)展和應(yīng)用的前景。美國(guó)科學(xué)家kelly首次提出了在航空電子設(shè)備中采用慣性網(wǎng)絡(luò)的概念，采用差分慣性濾波器來(lái)估計(jì)戰(zhàn)機(jī)變形，隨后美國(guó)軍方萊特實(shí)驗(yàn)室資助建立了改進(jìn)型慣性網(wǎng)絡(luò)。孫昌躍在傳遞對(duì)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)中明確提出構(gòu)建慣性網(wǎng)絡(luò)的思想，借助計(jì)算機(jī)通信和數(shù)據(jù)處理能力，采用先進(jìn)慣性導(dǎo)航器件誤差估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)確保各個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的慣性信息，以解決結(jié)構(gòu)撓曲變形和振動(dòng)的不利影響。并指出低成本慣性器件的應(yīng)用和先進(jìn)信息融合技術(shù)開(kāi)發(fā)與使用為該種網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供可能。

目前，主流的傳遞對(duì)準(zhǔn)理論研究主要通過(guò)改進(jìn)主子慣導(dǎo)的匹配參數(shù)和對(duì)撓曲誤差、桿臂誤差進(jìn)行建模來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精度的提高。對(duì)于慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的明確闡述和相關(guān)算法研究，在艦船變形測(cè)量和組合導(dǎo)航的研究中采用類似技術(shù)，但對(duì)利用分布式慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)還鮮有研究?？紤]到以上情況，將基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)研究傳遞對(duì)準(zhǔn)理論以進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)的精度和快速性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題而提供一種基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)的高精度傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，克服主子慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)精度不足的問(wèn)題，利用載體不同位置配置的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建分布式慣性網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案有：一種基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)的高精度傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

第一步：構(gòu)建分布式慣性網(wǎng)絡(luò)，分布式慣性網(wǎng)絡(luò)由主慣性節(jié)點(diǎn)以及若干個(gè)子慣性節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，將多個(gè)慣性節(jié)點(diǎn)配置在載體的不同部位構(gòu)成分布式慣性網(wǎng)絡(luò)；

第二步：將第一步構(gòu)建的所有慣性節(jié)點(diǎn)量測(cè)信息由姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣轉(zhuǎn)換到某一個(gè)子慣性節(jié)點(diǎn)處，利用所有冗余慣性量測(cè)信息，采用廣義似然比方法對(duì)慣性網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)慣性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離；

第三步：根據(jù)第二步得到某一個(gè)子慣性節(jié)點(diǎn)處的有效冗余慣性量測(cè)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以得到該子慣性節(jié)點(diǎn)的量測(cè)信息，提高子慣性節(jié)點(diǎn)的量測(cè)精度；

第四步：利用主慣性節(jié)點(diǎn)和經(jīng)過(guò)第二步、第三部故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合后的任意子慣性節(jié)點(diǎn)的信息，建立濾波方程從而實(shí)現(xiàn)主子慣導(dǎo)的傳遞對(duì)準(zhǔn)；

第五步：將第四步濾波后得到的參數(shù)對(duì)子慣性節(jié)點(diǎn)的失準(zhǔn)角誤差以及安裝誤差角進(jìn)行校正，從而修正了第二步測(cè)量得到的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明基于載體(如飛行器、艦船等)配置的多個(gè)慣性測(cè)量單元，構(gòu)成分布式慣性網(wǎng)絡(luò)，利用各個(gè)慣性節(jié)點(diǎn)獲取得到的慣性量測(cè)信息進(jìn)行故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合，充分利用了慣性網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)信息共享，不僅能夠提高主子慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度，還能提供用于局部慣性信息，從而進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)性能和容錯(cuò)水平；

(2)本發(fā)明中不需要增加額外設(shè)備，具有使用成本低、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種較好的利用慣性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)的方法。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)的高精度傳遞對(duì)準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是分布式慣性網(wǎng)絡(luò)組成示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明基于分布式慣性網(wǎng)絡(luò)的高精度傳遞對(duì)準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其具體步驟如下：

第一步：構(gòu)建分布式慣性網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)慣性系統(tǒng)配置在載體(如飛行器、艦船等)不同部位，主慣導(dǎo)系統(tǒng)配置在重心cg處。如圖2所示，以飛機(jī)為例，在其載體上的不同部位配置6個(gè)不同精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，并將每個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別命名為i,j,k,l,m,n。采集每個(gè)慣性節(jié)點(diǎn)輸出的慣性器件數(shù)據(jù)。陀螺和加速度計(jì)的輸出分別為記任一節(jié)點(diǎn)i的慣性器件輸出為：

各慣性節(jié)點(diǎn)間的初始姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可以在裝訂之前事先進(jìn)行測(cè)量確定。根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣得到慣性網(wǎng)絡(luò)器件輸出在節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的慣性器件輸出，采用全局最優(yōu)估計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)i處的信息融合及狀態(tài)估計(jì)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移矩陣為t，例如從節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)i的轉(zhuǎn)移矩陣記為節(jié)點(diǎn)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示如下：

上式中，表示經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣節(jié)點(diǎn)j在i節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的慣性器件輸出。同理，還可以得到節(jié)點(diǎn)k,l,m,n在節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的慣性器件輸出

第二步：將第一步構(gòu)建的所有慣性節(jié)點(diǎn)量測(cè)信息(包括主、子慣性節(jié)點(diǎn)的全部量測(cè)信息)由姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣轉(zhuǎn)換到某一個(gè)子慣性節(jié)點(diǎn)處，利用所有冗余慣性量測(cè)信息，采用廣義似然比方法對(duì)慣性網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)慣性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離；

假定余度傳感器的配置有m個(gè)傳感器，其量測(cè)方程中僅含噪聲干擾作用，即

式中，為待測(cè)的導(dǎo)航狀態(tài)(加速度或角速率)；zimu∈r^m為m個(gè)傳感器的量測(cè)值，并且m≥n，himu為傳感器配置的幾何矩陣，ε為高斯白噪聲。

定義如下奇偶方程：

p＝vimuzimu(4)

式中，p為奇偶向量，vimu為待定的行滿秩矩陣。顯然，p＝vimuhimux+vε,為使其獨(dú)立于待測(cè)狀態(tài)x而僅與噪聲或可能的故障有關(guān)，應(yīng)使：

vimuhimu＝0(5)

根據(jù)廣義似然比監(jiān)測(cè)的故障檢測(cè)及隔離方法，奇偶向量p在無(wú)故障假設(shè)h0及有故障假設(shè)h1情況下的統(tǒng)計(jì)特性為：

為確定假設(shè)的合理性，定義如下對(duì)數(shù)似然比：

式中，pr(·/·)表示正態(tài)條件概率密度函數(shù)，由式(6)可以得到：

式中，μ是未知向量，由式(8)可得其極大似然估計(jì)為：

因此，式(8)可得

故障檢測(cè)函數(shù)dfd可以定義為

dfd＝p^t(vimuvimu^t)^-1p(11)

故則障檢測(cè)準(zhǔn)則為：

故障判決函數(shù)為：

式中，vj表示矩陣vimu的第j列。若則表明第k個(gè)傳感器極有可能發(fā)生故障。

第三步：根據(jù)第二步得到某一個(gè)慣性子節(jié)點(diǎn)處的有效冗余慣性量測(cè)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以得到該子慣性節(jié)點(diǎn)的量測(cè)信息，從而提高了子慣性節(jié)點(diǎn)的量測(cè)精度。

首先考慮兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。將節(jié)點(diǎn)i處的節(jié)點(diǎn)慣性器件輸出和j在節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的慣性器件輸出考慮為局部狀態(tài)估計(jì)。相應(yīng)的估計(jì)誤差方差陣為p1、p2?？紤]融合后的全局狀態(tài)估計(jì)為局部狀態(tài)估計(jì)的線性組合，即：

式中，w1和w2為待定的加權(quán)陣。

全局狀態(tài)估計(jì)應(yīng)該滿足無(wú)偏估計(jì)和誤差協(xié)方差陣最小兩個(gè)條件。即：

式中，為真實(shí)狀態(tài)。由此可得：

即：

由于均為最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)，因此有

1-w1-w2＝0(18)

將式(18)帶入式(14)得：

那么，

因此，

式中，

為了使為最小，選擇合適的w2就等價(jià)于使為最小。由式(20)可得

由此求出：

w2＝p1(p1+p2)^-1(23)

帶入式(19)和式(21)得

利用數(shù)學(xué)歸納法將該結(jié)果推廣到有6個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。將節(jié)點(diǎn)i處的節(jié)點(diǎn)慣性器件輸出和節(jié)點(diǎn)j,k,l,m,n在節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的慣性器件輸出考慮為局部狀態(tài)估計(jì)。相應(yīng)的估計(jì)誤差方差陣為p1、p2、p3、p4、p5、p6。則全局最優(yōu)估計(jì)可表示為：

式中，

因此，利用慣性網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的慣性器件輸出即可得到節(jié)點(diǎn)i處融合后的慣性器件狀態(tài)估計(jì)。

第四步：利用主慣性參考節(jié)點(diǎn)和經(jīng)過(guò)第二步、第三部故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合后的任意子慣性節(jié)點(diǎn)的信息，建立濾波方程從而實(shí)現(xiàn)主子慣導(dǎo)的傳遞對(duì)準(zhǔn)。

根據(jù)融合后的慣性器件狀態(tài)估計(jì)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解算模型，求解得到該節(jié)點(diǎn)處的子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)、速度和位置。由機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣可以用歐拉角法求解。

當(dāng)載體坐標(biāo)系繞天向軸、東向軸、北向軸分別轉(zhuǎn)過(guò)-ψ、θ、γ時(shí)，由導(dǎo)航坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的變換矩陣為：

在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀實(shí)際輸出為即安裝在機(jī)體系的陀螺儀相對(duì)于慣性空間的角速率在機(jī)體系上的投影。的表達(dá)式為：

式中，為b系(機(jī)體坐標(biāo)系)相對(duì)于n系(導(dǎo)航坐標(biāo)系)的角速度在機(jī)體坐標(biāo)系軸向的分量構(gòu)成的列矢量。是姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。是地球角速率在地理坐標(biāo)系上的投影，是由于載體在地球圓表面運(yùn)動(dòng)后的角速率。和姿態(tài)角速率的關(guān)系如下：

因此，可以得到歐拉角微分方程：

利用第三步得到了融合后的陀螺儀狀態(tài)估計(jì)可以直接求解θ、γ、ψ這三個(gè)歐拉角后即獲得更新后的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，加速度計(jì)實(shí)際輸出為由比力的轉(zhuǎn)換關(guān)系得：

由比力方程可知：

載體在地理系中的速度微分方程為：

式中，l是當(dāng)?shù)氐木暥?，rn為地球子午面內(nèi)的曲率半徑，rm為垂直于子午面的法線平面內(nèi)的曲率半徑，由上式可求得載體在地理坐標(biāo)系中的東向、北向和地向速度ve,vn,vd。

由載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系的速度與載體位置的關(guān)系，考慮地球曲率的影響，可以得到緯度、經(jīng)度和高度的微分方程：

式中，l、λ、h分別為載體的經(jīng)度、緯度和高度。利用第二步得到了融合后的加速度計(jì)狀態(tài)估計(jì)可以進(jìn)一步求解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置、速度信息。

因此，利用節(jié)點(diǎn)i處融合后的慣性器件狀態(tài)估計(jì)可以根據(jù)上述公式求解該節(jié)點(diǎn)處的子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)、速度和位置。主慣導(dǎo)系統(tǒng)配置在飛機(jī)重心cg處，也可以根據(jù)上述公式求解主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)、速度和位置。

第五步：將第四步濾波后得到的參數(shù)對(duì)子慣性節(jié)點(diǎn)的失準(zhǔn)角誤差以及安裝誤差角進(jìn)行校正，從而修正了第二步測(cè)量得到的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。通過(guò)這樣的過(guò)程可以提高傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度和可靠性。

根據(jù)主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航解算結(jié)果和子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航解算結(jié)果，選取合適的狀態(tài)量。此處考慮采用速度+加速度匹配傳遞對(duì)準(zhǔn)，狀態(tài)方程和量測(cè)方程為：

式中：x(t)為狀態(tài)向量，f(t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，g(t)為系統(tǒng)噪聲系數(shù)矩陣，w(t)為系統(tǒng)噪聲向量。h(t)為觀測(cè)向量，v(t)為量測(cè)噪聲向量。

狀態(tài)變量取為：

x(t)＝[(φⁿ)^t(δvⁿ)^tε^t▽^tμ^t]^t(37)

式中，φⁿ為姿態(tài)失準(zhǔn)角，δvⁿ為速度誤差，ε為陀螺儀漂移，▽為加速度計(jì)零偏，μ為安裝誤差角。

系統(tǒng)狀態(tài)矩陣為：

量測(cè)量為主、子慣導(dǎo)輸出的速度之差與加速度之差。同時(shí)，考慮到子慣導(dǎo)加速度計(jì)零偏對(duì)加速度量測(cè)量的影響，取量測(cè)矩陣為：

至此，可以通過(guò)分布式慣性網(wǎng)絡(luò)精確估算出主、子慣導(dǎo)之間的失準(zhǔn)角誤差和安裝角誤差，從而修正了第一步測(cè)量得到的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。至此，通過(guò)這樣的過(guò)程可以得到一種高精度的傳遞對(duì)準(zhǔn)方法。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。