一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法。该方法包括如下步骤：建立横向地球椭球坐标系、横向地理坐标系及横向游移坐标系，设定初始导航时刻的传统地理坐标系为初始横向游移坐标系，以横向游移坐标系作为捷联惯导系统的导航坐标系进行机械编排；基于横向游移坐标系的惯性导航编排方式解决了在极地地区因为经线收敛造成的基于地理坐标系的捷联算法失效问题。同时，在低纬度地区亦采取游移方位机械编排，两者结合，保证了全球导航时解算算法的内在统一性，在捷联式惯导系统中，避免了不同纬度地区切换时的逻辑设计与不同导航坐标系各参数间转换关系；在平台式惯导系统中，避免了操作复杂的物理平台切换。

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法
本专利技术主要涉及惯性导航
，特别是涉及一种基于横向游移坐标系的惯性导航方法。
技术介绍
传统的惯性导航理论都是针对低纬度区域设计的。现实中，一般在纬度小于65度的区域均能正常工作；在南极和北极附近，由于经纬度的分布特点，传统的惯性导航理论和方法存在一定的缺陷。传统的地理坐标系g下的惯性导航机械编排在极区导航时，航向角误差与经度误差随着纬度的增加而急剧变大，已不能满足航行需要。一些文献提出建立横向地球模型，用横向地理坐标系g'进行导航，可以解决极区导航问题。但是在捷联式惯导系统中，需要考虑不同纬度地区切换时复杂的逻辑设计与不同导航坐标系各参数之间的转换关系；在平台式惯导系统中，需要操作复杂的物理平台切换。
技术实现思路
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法，用于解决现有的惯性导航系统中存在的不同纬度地区切换的逻辑复杂、坐标系参数转换复杂以及物理平台转换复杂等诸多不便的技术问题。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法，建立横向地球椭球模型并在此基础上建立横向地球椭球坐标系e′、横向地理经纬度和横向地理坐标系g′，然后基于横向地理坐标系g′建立横向游移坐标系T；在本专利技术中，所述横向地球椭球模型的长半轴和短半轴分别为Re和Rp，且地心坐标系采用WGS-84坐标系；所述横向地球椭球坐标系e′的原点O位于地心，Xe′轴穿过北极点，Ye′轴穿过本初子午线与赤道的交点，Xe′轴和Ye′轴垂直相交组成横向赤道平面Xe′OYe′，Ze′轴穿过东经90°子午线与赤道的交点且将该交点定义为横向北极点N'；所述横向地理经纬度按照如下方法设定：对于地球表面的任意一点P，所述P点在横向赤道平面Xe′OYe′内的投影为M点，以P点所在位置的旋转椭球面的法线为当地的地理垂线，地理垂线与Xe′轴的交点为Q；所述地理垂线与横向赤道平面Xe′OYe′的夹角L′为P点的横向地理纬度；从正Ze′轴向负Ze′轴方向来看，自Xe′轴按逆时针方向转到QM所转过的角λ′为P点的横向地理经度；所述横向地理坐标系g′的原点位于运载体质心，Zg′轴沿运载体质心所在当地的地理垂线方向并指向天，XT轴与YT轴垂直并且均在运载体质心所在当地的水平面内，其中Yg′轴沿运载体质心所在处的横向地理经线的切线方向指向横向北极点，Xg′轴、Yg′轴、Zg′轴构成右手坐标系。所述横向游移坐标系T的原点位于运载体质心，ZT轴沿运载体质心所在当地的地理垂线方向并指向天，XT轴与YT轴垂直并且均在运载体质心所在当地的水平面内，XT、YT轴、ZT轴构成右手坐标系，其中XT轴、YT轴组成的水平轴相对于横向地理坐标系g′的水平轴之间存在一个变化的横向游移方位角β，所述横向游移方位角β＝p+α，其中p为地理坐标系g和横向地理坐标系g'在当地水平面上的夹角，α为游移坐标系中的游移方位角；设定导航初始时刻的横向游移方位角β为此时地理坐标系g和横向游移坐标系T的夹角；导航开始后，将地理坐标系g下的导航参数转换到横向游移坐标系T下，使得导航以横向游移坐标系T作为导航坐标；然后，根据惯性测量单元提供实时陀螺和加速度计测量值进行姿态、速度、位置以及横向游移方位角β的更新解算，获得横向游移坐标系T下的实时导航参数；最后，根据运载体所在位置选择导航参数的输出途径，若运载体在极区，则将导航参数在横向地理坐标系g′中进行输出，若运载体在非极区，则将导航参数在地理坐标系g中输出。本专利技术基于地球椭球模型，并引入全新的横向游移坐标系T作为导航坐标系进行姿态、速度、位置更新，同时为了迎合用户的使用习惯，有针对性地选择导航参数的输出途径，在非极区选择在地理坐标系g中输出，在极区选择在横向地理坐标系g′中，保证了导航过程中的精度；同时由于巧妙选取横向游移坐标系T的初始时刻的横向游移方位角β，使得初始导航时刻的横向游移坐标系T恰好为地理坐标系g，使得本专利技术中提出的横向游移坐标系T和传统意义上的游移坐标系虽然在原理上是不同坐标系，但是在物理上是同一个坐标系，由此避免了在全球性的导航时捷联式惯导系统复杂的逻辑设计与不同导航坐标系各参数间转换关系，解决传统导航方法在极区不适用问题，减小了航向、经度误差，能够满足航行要求；并且在平台式惯导系统中，避免了复杂的物理导航平台切换操作。本专利技术方法基于上述模型及坐标系统，同时本专利技术中还会涉及到的一些传统意义上的坐标体系或概念如地理坐标系g、游移坐标系、卯酉圈半径、子午圈半径、航机角等，这些坐标系或概念的介绍未专门列出，参照行业内通用的定义。进一步的，在本专利技术中，导航开始后，以横向地理坐标系g'作为转换桥梁，首先将地理坐标系g下的导航参数转换到横向地理坐标系g'下，然后再由横向地理坐标系g'中转换到横向游移坐标系T下，使得导航以横向游移坐标系T作为导航坐标；横向地理坐标系g'下的导航参数与地理坐标系g下的导航参数的转换关系包括如下3组：第1组、载体位置在横向地理坐标系g'中表示的横向地理经度λ'、横向地理纬度L'与在地理坐标系g中表示的经度λ、纬度L的转换关系为：第2组、载体对地速度V在横向地理坐标系g'坐标轴上的投影Vg'与载体对地速度V在地理坐标系g坐标轴上的投影Vg的转换关系：(2)式中，下标E表示指向东向，下标N表示指向北向，下标U表示指向天向；p为地理坐标系g和横向地理坐标系g'在当地水平面上的夹角，该夹角满足下式：第3组、载体姿态角在横向地理坐标系g'中表示的分量[ψ′θ′γ′]T与载体姿态角在地理坐标系g中表示的分量[ψθγ]T的转换关系为：(4)式中，ψ′、θ′、γ′分别为载体在横向地理坐标系g'中的横向航向角、横向俯仰角和横向横摇角，ψ、θ、γ分别为载体在地理坐标系g中的航向角、俯仰角和横摇角；横向地理坐标系g'下的导航参数与横向游移坐标系T下导航参数的转换关系包括如下3组：第I组、载体对地速度V在横向地理坐标系g'坐标轴上的投影Vg'与载体对地速度V在横向游移坐标系T坐标轴上的投影VT的转换关系为：(5)式中，β为横向游移方位角；下标E表示指向东向，下标N表示指向北向，下标U表示指向天向；第II组、载体姿态角在横向地理坐标系g'中表示的分量[ψ′θ′γ′]T与在横向游移坐标系T中表示的分量[ψTθTγT]T的转换关系：(6)式中，ψ′、θ′、γ′分别为载体在横向地理坐标系g'中的横向航向角、横向俯仰角和横向横摇角，ψT、θT、γT分别为载体在横向游移坐标系T中的航向角、俯仰角和横摇角；第III组、载体沿横向游移坐标系T的水平轴方向的曲率及扭曲率如下：(7)式中，RxT与RyT分别为地球椭球在横向游移坐标系T的XT轴和YT轴方向的曲率半径；R′M、R′N分别是当地横向椭球的子午圈和卯酉圈曲率半径，可以通过式(2)中的夹角p、地球椭球的子午圈曲率半径RM和卯酉圈曲率半径RN依照科学出版社出版的秦永元所著《惯性导航》7.2.3节求得；τ为横向游移坐标系T下的水平面扭曲率。以上6组转换关系实现了导航参数在横向地理坐标系g'、地理坐标系g、以及横向游移坐标系T之间的相互切换；给出了横向地理坐标系g'与横向游移坐标系T之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法，其特征在于：建立横向地球椭球模型并在此基础上建立横向地球椭球坐标系e′、横向地理经纬度和横向地理坐标系g′，然后基于横向地理坐标系g′建立横向游移坐标系T；所述横向游移坐标系T的原点位于运载体质心，ZT轴沿运载体质心所在当地的地理垂线方向并指向天，XT轴与YT轴垂直并且均在运载体质心所在当地的水平面内，XT、YT轴、ZT轴构成右手坐标系，其中XT轴、YT轴组成的水平轴相对于横向地理坐标系g′的水平轴之间存在一个变化的横向游移方位角β，所述横向游移方位角β＝p+α，其中p为地理坐标系g和横向地理坐标系g'在当地水平面上的夹角，α为游移坐标系中的游移方位角；设定导航初始时刻的横向游移方位角β为此时当地地理坐标系g和横向游移坐标系T的夹角；导航开始后，将地理坐标系g下的导航参数转换到横向游移坐标系T下，使得导航以横向游移坐标系T作为导航坐标；然后，根据惯性测量单元提供实时陀螺和加速度计测量值进行姿态、速度、位置以及横向游移方位角β的更新解算，获得横向游移坐标系T下的实时导航参数；最后，根据运载体所在位置选择导航参数的输出途径，若运载体在极区，则将导航参数在横向地理坐标系g′中进行输出，若运载体在非极区，则将导航参数在地理坐标系g中输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法，其特征在于：建立横向地球椭球模型并在此基础上建立横向地球椭球坐标系e′、横向地理经纬度和横向地理坐标系g′，然后基于横向地理坐标系g′建立横向游移坐标系T；所述横向地球椭球模型的长半轴和短半轴分别为Re和Rp，且地心坐标系采用WGS-84坐标系；所述横向地球椭球坐标系e′的原点O位于地心，Xe′轴穿过北极点，Ye′轴穿过本初子午线与赤道的交点，Xe′轴和Ye′轴垂直相交组成横向赤道平面Xe′OYe′，Ze′轴穿过东经90°子午线与赤道的交点且将该交点定义为横向北极点N'；所述横向地理经纬度按照如下方法设定：对于地球表面的任意一点P，所述P点在横向赤道平面Xe′OYe′内的投影为M点，以P点所在位置的旋转椭球面的法线为当地的地理垂线，地理垂线与Xe′轴的交点为Q；所述地理垂线与横向赤道平面Xe′OYe′的夹角L′为P点的横向地理纬度；从正Ze′轴向负Ze′轴方向来看，自Xe′轴按逆时针方向转到QM所转过的角λ′为P点的横向地理经度；所述横向地理坐标系g′的原点位于运载体质心，Zg′轴沿运载体质心所在当地的地理垂线方向并指向天，XT轴与YT轴垂直并且均在运载体质心所在当地的水平面内，其中Yg′轴沿运载体质心所在处的横向地理经线的切线方向指向横向北极点，Xg′轴、Yg′轴、Zg′轴构成右手坐标系；所述横向游移坐标系T的原点位于运载体质心，ZT轴沿运载体质心所在当地的地理垂线方向并指向天，XT轴与YT轴垂直并且均在运载体质心所在当地的水平面内，XT、YT轴、ZT轴构成右手坐标系，其中XT轴、YT轴组成的水平轴相对于横向地理坐标系g′的水平轴之间存在一个变化的横向游移方位角β，所述横向游移方位角β＝p+α，其中p为地理坐标系g和横向地理坐标系g'在当地水平面上的夹角，α为游移坐标系中的游移方位角；设定导航初始时刻的横向游移方位角β为此时地理坐标系g和横向地理坐标系g′的夹角；导航开始后，将地理坐标系g下的导航参数转换到横向游移坐标系T下，使得导航以横向游移坐标系T作为导航坐标；然后，根据惯性测量单元提供实时陀螺和加速度计测量值进行姿态、速度、位置以及横向游移方位角β的更新解算，获得横向游移坐标系T下的实时导航参数；最后，根据运载体所在位置选择导航参数的输出途径，若运载体在极区，则将导航参数在横向地理坐标系g′中进行输出，若运载体在非极区，则将导航参数在地理坐标系g中输出。2.根据权利要求1所述的基于横向游移坐标系的极区惯性导航方法，其特征在于：导航开始后，以横向地理坐标系g'作为转换桥梁，首先将地理坐标系g下的导航参数转换到横向地理坐标系g'下，然后再由横向地理坐标系g'中转换到横向游移坐标系T下，使得导航以横向游移坐标系T作为导航坐标；横向地理坐标系g'下的导航参数与地理坐标系g下的导航参数的转换关系包括如下3组：第1组、载体位置在横向地理坐标系g'中表示的横向地理经度λ'、横向地理纬度L'与在地理坐标系g中表示的经度λ、纬度L的转换关系为：第2组、载体对地速度V在横向地理坐标系g'坐标轴上的投影Vg'与载体对地速度V在地理坐标系g坐标轴上的投影Vg的转换关系：(2)式中，下标E表示指向东向，下标N表示指向北向，下标U表示指向天向；p为地理坐标系g和横向地理坐标系g'在当地水平面上的夹角，该夹角满足下式：第3组、载体姿态角在横向地理坐标系g'中表示的分量[ψ′θ′γ′]T与载体姿态角在地理坐标系g中表示的分量[ψθγ]T的转换关系为：(4)式中，ψ′、θ′、γ′分别为载体在横向地理坐标系g'中的横向航向角、横向俯仰角和横向横摇角，ψ、θ、γ分别为载体在地理坐标系g中的航向角、俯仰角和横摇角；横向地理坐标系g'下的导航参数与横向游移坐标系T下导航参数的转换关系包括如下3组：第I组、载体对地速度V在横向地理坐标系g'坐标轴上的投影Vg'与载体对地速度V在横向游移坐标系T坐标轴上的投影VT的转换关系为：(5)式中，β为横向游移方位角；下标E表示指向东向，下标N表示指向北向，下标U表示指向天向；第II组、载体姿态角在横向地理坐标系g'中表示的分量[ψ′θ′γ′]T与在横向游移坐标系T中表示的分量[ψTθTγT]T的转换关系：(6)式中，ψ′、θ′、γ′分别为载体在横向地理坐标系g'中的横向航向角、横向俯仰角和横向横摇角，ψT、θT、γT分别为载体在横向游移坐标系T中的航向角、俯仰角和横摇角；第II...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓苏，姚逸卿，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32