基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法。针对现有捷联惯导姿态算法在同时补偿圆锥误差和机动误差时出现效率低下的问题，提出了一种新的双边圆锥补偿结构，然后，建立了由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系，并推导了基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述，在此基础上，提出了一种新的姿态圆锥补偿结构系数优化设计方法，并实施了姿态圆锥补偿结构系数的优化设计，从而设计出一种基于双边补偿结构的能够有效补偿圆锥误差和机动误差的捷联惯导姿态圆锥补偿算法。

【技术实现步骤摘要】
基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法
本专利技术涉及一种捷联惯导姿态解算圆锥补偿算法设计方法，主要包括圆锥补偿算法结构和结构参数优化方法，属于惯性导航

技术介绍
自20世纪50年代末捷联惯性导航系统的概念被提出以来，经过近60的发展，捷联惯导系统已经广泛应用于航空航天、国防、交通运输等多个领域。高精度捷联惯导系统的主要依赖技术之一的是高精度的捷联惯性导航算法，其中，捷联惯导姿态算法是这一技术的核心。20世纪60年代中后期，Savage和Jordan先后从不同角度提出具有双速结构的捷联惯导姿态算法。在1971年，Bortz进一步发展了已有双速结构的姿态算法，提出基于精确旋转矢量微分方程的双速姿态算法。之后，捷联惯导姿态算法的设计工作均集中在获得一种近似积分旋转矢量微分方程的方法上。在1983年，Miller提出了一种在经典圆锥运动条件下设计姿态算法的通用方法,该方法可使姿态算法的低频性能达到最优。之后，Lee和Jiang进一步发展了Miller的方法。在1996年，Ignagni提出了一种在经典圆锥运动条件下简化压缩姿态姿态算法中的圆锥补偿结构的方法，该方法使得姿态算法的圆锥误差补偿效率达到最优。在2000年，Mark基于Miller的思想和Ignagni提出的压缩结构，提出一种能够自适应调和具有滤波特性的陀螺的动态响应特性的捷联姿态圆锥补偿算法。在2010年，Savage将最小二乘方法应用于传统双速结构的捷联惯导姿态算法的设计上，进行姿态算法圆锥误差补偿系数的优化设计，该方法使得姿态算法在期望的圆锥运动或振动条件下的圆锥误差补偿性能达到最优。在2011年，Savage进一步将最小二乘方法用于设计一种圆锥补偿算法，以使算法在振动条件下的性能达到最优的同时抑制伪圆锥误差。在2013年，Song在经典圆锥算法的基础上，提出了一种圆锥运动和机动运动并存的条件下最优圆锥补偿算法。但Song提出的基于非压缩算法结构的扩展最小二乘圆锥补偿算法用于机动条件下的圆锥补偿算法在效率上不甚合理，很多计算开销几乎是无用的。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有捷联惯导姿态算法在同时补偿圆锥误差和机动误差时出现效率低下的问题，提出一种新的双边圆锥补偿结构和结构参数优化设计方法，设计一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法，从而获得一种高效率的高精度捷联姿态算法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法，包括以下步骤：步骤(1)，提出一种新的双边圆锥补偿结构：在给出现代捷联惯导系统中使用的姿态更新数值计算通式的基础上，直接提出一种用于姿态更新的更新旋转矢量的解算形式和双边圆锥补偿结构；步骤(2)，建立由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系：先给出传统的非压缩姿态圆锥补偿结构，然后在不同情况下将步骤(1)中提出的新的双边圆锥补偿结构展开，并与传统非压缩姿态圆锥补偿结构作比较，确定两种圆锥补偿结构的等价条件，并通过推演建立在不同情况下的由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系；步骤(3)，推导基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述：先给出一般描述载体角运动的定义和一般载体姿态圆锥补偿项理论分析式，然后基于定义的载体角运动描述，分别推导角机动条件下的载体姿态圆锥补偿项的理论分析式的具体描述和基于非压缩圆锥补偿结构的载体姿态圆锥补偿项的数值分析式的具体描述，比较上述补偿项的数值分析式和理论分析式的具体描述，并取两式的差值，导出基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述；步骤(4)，提出一种新的姿态圆锥补偿结构系数优化设计方法：先确定出求解非压缩圆锥补偿结构系数所需的相互独立的方程个数，然后基于传统非压缩圆锥补偿结构系数与压缩圆锥补偿结构系数之间的关系、步骤(2)所建立的约束关系和步骤(3)导出的机动误差描述，提出一种用于补偿圆锥误差和机动误差的非压缩补偿算法结构系数的优化设计方法；步骤(5)，设计一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法：实施步骤(4)的参数优化方法，设计出基于传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数，结合步骤(2)所建立的转化关系，推算新的双边圆锥补偿结构系数，从而设计出一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法。所述步骤(1)中提出一种新的双边圆锥补偿结构的具体步骤如下：首先，定义姿态更新周期的开始时刻为tl-1，结束时刻为tl，姿态更新周期为Tl，角增量子样周期为Tk，一个姿态更新周期包含的角增量子样周期数为L，即Tl＝LTk，tl＝tl-1+Tl＝tl-1+LTk；然后，在给出现代捷联惯导系统姿态更新数值计算通式的基础上，提出用于姿态更新的更新旋转矢量的解算形式和双边圆锥误差补偿结构：所述更新旋转矢量φl为双边圆锥误差补偿项为其中，αl为一个姿态更新周期内总的角增量，Δαk为第l个姿态更新周期内用于圆锥补偿的第k个角增量子样，N为一个姿态更新周期内用于圆锥补偿的角增量子样数，Ji和Kj为依赖于所述双边圆锥补偿结构的系数，i、j和k为符号下标变量，R为可调参数，用来控制系数圆锥补偿系数Kj的个数，R取为从2到N-1之间的整数。步骤(2)中建立由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系的具体步骤如下：首先，给出传统非压缩姿态圆锥补偿结构：其中，为依赖于该圆锥补偿结构的系数，i、j为符号下标变量；然后，在不同情况下将步骤(1)中提出的双边圆锥补偿结构展开，通过推演建立在不同情况下的由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系；所述不同情况包括：当R＝2时，步骤(1)中提出的双边圆锥补偿结构可以等价地展开为通过与传统非压缩圆锥补偿结构作比较，并推演导出由传统非压缩圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系：其中，1≤i≤N-1和其中，2≤j≤N-1，以及由传统非压缩圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的约束关系：其中，2≤i＜j≤N-1；当R＝N-1时，步骤(1)中提出的双边圆锥补偿结构可以等价地展开为通过与传统非压缩圆锥补偿结构作比较，并推演导出由传统非压缩圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系：和其中，1≤i≤N-1，以及由传统非压缩圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的约束关系：其中，2≤i≤N-2和其中，1≤i＜j≤N-2。步骤(3)中推导基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述的具体步骤如下：首先，给出一般描述载体角运动的定义：其中，ω(t)为载体角速度矢量，gi为系数矢量，t为时间,i为符号下标变量，以及一般载体姿态圆锥补偿项理论分析式：其中，然后，基于定义的载体角运动描述，导出角机动条件下的载体姿态圆锥补偿项的理论分析式的具体描述：以及基于非压缩圆锥补偿结构的载体姿态圆锥补偿项的数值分析式的具体描述：其中，i、j、p和q为符号下标变量；最后，再取两式的差值，导出基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述：其中，em(Tk)为机动条件下的圆锥误差，所述步骤(4)中提出一种新的姿态圆锥补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)，提出一种新的双边圆锥补偿结构：在给出现代捷联惯导系统中使用的姿态更新数值计算通式的基础上，直接提出一种用于姿态更新的更新旋转矢量的解算形式和双边圆锥补偿结构；步骤(2)，建立由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系：先给出传统的非压缩姿态圆锥补偿结构，然后在不同情况下将步骤(1)中提出的新的双边圆锥补偿结构展开，并与传统非压缩姿态圆锥补偿结构作比较，确定两种圆锥补偿结构的等价条件，并通过推演建立在不同情况下的由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系；步骤(3)，推导基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述：先给出一般描述载体角运动的定义和一般载体姿态圆锥补偿项理论分析式，然后基于定义的载体角运动描述，分别推导角机动条件下的载体姿态圆锥补偿项的理论分析式的具体描述和基于非压缩圆锥补偿结构的载体姿态圆锥补偿项的数值分析式的具体描述，比较上述补偿项的数值分析式和理论分析式的具体描述，并取两式的差值，导出基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述；步骤(4)，提出一种新的姿态圆锥补偿结构系数优化设计方法：先确定出求解非压缩圆锥补偿结构系数所需的相互独立的方程个数，然后基于传统非压缩圆锥补偿结构系数与压缩圆锥补偿结构系数之间的关系、步骤(2)所建立的约束关系和步骤(3)导出的机动误差描述，提出一种用于补偿圆锥误差和机动误差的非压缩补偿算法结构系数的优化设计方法；步骤(5)，设计一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法：实施步骤(4)的参数优化方法，设计出基于传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数，结合步骤(2)所建立的转化关系，推算新的双边圆锥补偿结构系数，从而设计出一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)，提出一种新的双边圆锥补偿结构：在给出现代捷联惯导系统中使用的姿态更新数值计算通式的基础上，直接提出一种用于姿态更新的更新旋转矢量的解算形式和双边圆锥补偿结构；步骤(2)，建立由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系：先给出传统的非压缩姿态圆锥补偿结构，然后在不同情况下将步骤(1)中提出的新的双边圆锥补偿结构展开，并与传统非压缩姿态圆锥补偿结构作比较，确定两种圆锥补偿结构的等价条件，并通过推演建立在不同情况下的由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系；步骤(3)，推导基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述：先给出一般描述载体角运动的定义和一般载体姿态圆锥补偿项理论分析式，然后基于定义的载体角运动描述，分别推导角机动条件下的载体姿态圆锥补偿项的理论分析式的具体描述和基于非压缩圆锥补偿结构的载体姿态圆锥补偿项的数值分析式的具体描述，比较上述补偿项的数值分析式和理论分析式的具体描述，并取两式的差值，导出基于传统非压缩圆锥补偿结构的一般机动条件下的误差描述；步骤(4)，提出一种新的姿态圆锥补偿结构系数优化设计方法：先确定出求解非压缩圆锥补偿结构系数所需的相互独立的方程个数，然后基于传统非压缩圆锥补偿结构系数与压缩圆锥补偿结构系数之间的关系、步骤(2)所建立的约束关系和步骤(3)导出的机动误差描述，提出一种用于补偿圆锥误差和机动误差的非压缩补偿算法结构系数的优化设计方法；步骤(5)，设计一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法：实施步骤(4)的参数优化方法，设计出基于传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数，结合步骤(2)所建立的转化关系，推算新的双边圆锥补偿结构系数，从而设计出一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法。2.根据权利要求1所述的一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中提出一种新的双边圆锥补偿结构的具体步骤如下：首先，定义姿态更新周期的开始时刻为tl-1，结束时刻为tl，姿态更新周期为Tl，角增量子样周期为Tk，一个姿态更新周期包含的角增量子样周期数为L，即Tl＝LTk，tl＝tl-1+Tl＝tl-1+LTk；然后，在给出现代捷联惯导系统姿态更新数值计算通式的基础上，提出用于姿态更新的更新旋转矢量的解算形式和双边圆锥误差补偿结构：所述更新旋转矢量φl为双边圆锥误差补偿项为其中，αl为一个姿态更新周期内总的角增量，Δαk为第l个姿态更新周期内用于圆锥补偿的第k个角增量子样，N为一个姿态更新周期内用于圆锥补偿的角增量子样数，Ji和Kj为依赖于所述双边圆锥补偿结构的系数，i、j和k为符号下标变量，R为可调参数，用来控制系数圆锥补偿系数Kj的个数，R取为从2到N-1之间的整数。3.根据权利要求2所述的一种基于双边补偿结构的捷联惯导姿态圆锥补偿算法设计方法，其特征在于：步骤(2)中建立由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系的具体步骤如下：首先，给出传统非压缩姿态圆锥补偿结构：其中，为依赖于该圆锥补偿结构的系数，i、j为符号下标变量；然后，在不同情况下将步骤(1)中提出的双边圆锥补偿结构展开，通过推演建立在不同情况下的由传统非压缩姿态圆锥补偿结构系数到新的双边圆锥补偿结构系数的转换关系和约束关系；所述不同情况包括：当R＝2时，步骤(1)中提出的双边圆锥补偿结构可以等价地展开为通过与传统非压缩圆锥补偿结构作比较，并推演导出由传统非压缩圆锥补偿结构系数到新的双边圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙源，汤传业，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32