一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法技术

本发明专利技术公开一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，包括以下步骤：1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量；2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响；3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径；4)构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准；5)根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算。

【技术实现步骤摘要】
一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法
本专利技术涉及一种基于重力视运动的SINS初始对准与纬度计算方法，适用于裁机无线运动、摇摆条件下的初始对准对准，对准过程中不需要任何外部参考信息，且在对准过程中，可以完成纬度的计算，属于导航算法的

技术介绍
对于基于积分工作方式的惯性导航系统而言，初始对准是其工作的前提和基础，也是INS的关键和难点技术之一。具体针对SINS而言，初始对准是指获取载体系b与导航系n之间的姿态矩阵。在诸多的SINS初始对准方法中，自对准技术因不需要利用外部参考导航信息而被广泛研究与关注。常用的自对准方法包括有：基于重力加速度与地球自转角速度的解析法对准、基于罗经效应的罗经法对准、基于零速约束与Kalman滤波技术的零速对准等。然而上述方法在晃动基座上进行初始对准时，均存在抗干扰能力不足的缺点。如在晃动基座上，因地球自转角速度完全淹没在陀螺噪声中，无法完成对准。此外，上述方法在初始对准过程中均需要利用外部位置信息。如解析对准需要利用纬度信息对地球自转角速度进行分解；罗经法与零速对准中，需要位置信息构成SINS解算回路。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于在未知纬度信息的条件下，完全利用惯性仪表自身的测量数据，完成SINS的初始对准，并获取纬度信息以供后续导航解算。技术方案：本专利技术所述的基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，本专利技术与现有技术相比，具有益效果是：1)初始对准过程中，不需要外部参考辅助导航信息；2)加速度计测量噪声不需要通过速度积分方法进行平滑，而是通过参数辨识与重构方法进行去除；3)用于初始对准的三个向量实际包含了对准过程中所有量测值的信息，而非仅三个时间点；4)对准结束过程以及对准结束后，可对外输出参考维度信息，用于SINS的导航解算或其他设备使用。附图说明图1为本专利技术使用的重力视运动示意图；图2为本专利技术使用的重力视运动圆锥中心轴求解示意图；图3为本专利技术失准角误差估计误差图；图4为本专利技术纬度计算误差图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例：本专利技术针对惯性系中重力视运动构成的圆锥体，利用陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量，利用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响，利用三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径，并构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准，根据锥体中各向量几何关系完成纬度计算。下面结合附图对本专利技术实施方法做更详细地描述：图1为本专利技术使用的重力视运动示意图，在惯性系中观察随地球自转的某点的重力加速度指向与大小的变化，构成该圆锥。利用陀螺仪和加速度计具体获得图1中圆锥的各重力视运动向量，具体包括如下步骤：凝固初始时刻t0的载体坐标系b为惯性坐标系得到初始时刻b系与系间姿态矩阵为I为3×3的单位矩阵；利用陀螺仪的测量值跟踪b系与系的变化：式中，上标“^”表示计算值；“～”表示测量值。利用姿态矩阵将加速度计的测量值投影到系中，从而完成惯性系中重力视运动向量的计算：利用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响，具体包括：图1中的重力视运动锥体几何参数与惯性系的选择无关，但具体表达需要在特点的坐标系中展开。根据投影关系，可求取重力视运动的理想表达式如下：式中，fn为导航系n中重力加速度向量；g为重力加速度；e0为初始时刻地球系；e0为地球系；ωie为地球自转角速度；aij与bij(i，j＝1～3)分别为矩阵与中的相关未知元素；Aij为aij、bij的组合。利用式(2)中重力视运动的实际计算值通过递推最小二乘辨识法辨识式(3)中的参数Aij，并根据辨识得到的参数，重构重力视运动具体包括以下步骤：21)对系中轴参数进行辨识，选择状态向量为X＝[A11A12A13]T，量测向量为其中k为迭代更新次数，系统方程、量程矩阵以及量程方程分别如下：Xk+1＝Xk(4)Hk＝[cos(ωiet)sin(ωiet)1](5)Zk＝HkXk+Vk(6)式中，Vk为量程噪声。递推最小二乘辨识算法具体如下：式中，Kk为增益矩阵；Pk为状态协方差矩阵；Rk为Vk的协方差阵。22)对系中轴参数进行辨识，选择状态向量为X＝[A21A22A23]T，量测向量为其余各式同式(4-7)。23)对系中轴参数进行辨识，选择状态向量为X＝[A31A32A33]T，量测向量为其余各式同式(4-7)。根据2)中辨识获取的参数Aij，构建矩阵并根据ωiet，重构重力视运动具体选择时间点分别为tA＝-t、tB＝0与tC＝t，具中tC为当前时刻，如图2所示，利用tA、tB与tC三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径，具体包括：锥体底圆中心点为：式中，底圆半径为：构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准，具体包括：构建中心轴向量：如图2所示，惯性系中天向轴向量与重合，从而构建天向向量：利用向量运算，构建东向向量：利用向量运算，构建北向向量：构建n系相对于系的姿态矩阵：构建n系相对于系的姿态矩阵：根据锥体中各向量几何关系完成纬度计算，具体包括：本专利技术的有益效果通过如下仿真得以验证：Matlab模拟惯性仪表数据载体处于零速摇摆状态，以正弦规律绕三轴作摇摆运动，其纵摇、横向与航向摇摆数学模型为：式中，θ、γ和ψ分别为纵摇、横摇与航向的角度变量；AP、AR、AY分别为纵摇、横摇与航向的摇摆幅值；ωP、ωP与ωY分别表示纵摇、横摇与航向的摇摆角频率；与分别纵摇、横摇与航向初始相位；ψ0表示初始航向；ωi＝2π/Ti，i＝P，R，Y，Ti表示相应的摇摆周期。通过上述仿真数据模拟得到子惯导仪表理论数据，并在其上叠加相应的仪表误差作为仪表实际采集数据，子惯导对所述仪表实际采集数据进行采样，用于导航解算，采样周期为10ms。仿真的相关参数：舰船初始位置：东经118°、北纬32°；舰船航速：0m/s；舰船摇摆幅值：纵摇7°、横摇15°、航摇5°；舰船摇摆周期：纵摇8s、横摇7.5s、航摇6s；舰船摇摆初始相位：均为0；舰船初始航向：0°；赤道半径：6378165m；地球椭球度：1/298.3；地球表面重力加速度：9.8m/s2；地球自转角速度：15.04088°/h；陀螺常值误差：0.05°/h；陀螺白噪声误差：0.05°/h；加速度计零偏：500ug；加速度计白噪声误差：500ug；对准与纬度计算的验证在普通PC机进行算法验证。仿真进行1200s，仿真过程过程中，(1)产生仪表数据；(2)根据仪表数据构建重力视运动；(3)利用重力视运动计算值进行参数辨识与重构；(4)利用重构的重力视运动进行对准运算；(5)利用重构的重力视运动进行纬度计算；(6)重复上述步骤。图3与4分别为对准结果以及纬度计算误差。图3中各曲线表明，在摇摆基座下，本专利技术设计的方法有效完成了初始对准。图4中曲线表明，在摇摆基座下，本专利技术设计的方法有效完成了纬度的计算。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本专利技术，但其不得解释为对本专利技术自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本专利技术的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量；2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响；3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径；4)构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准；5)根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量；2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响；3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径；4)构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准；5)根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算。2.根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征所述的步骤1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量具体包括如下步骤：凝固初始时刻t0的载体坐标系b为惯性坐标系得到初始时刻b系与系间姿态矩阵为I为3×3的单位矩阵；利用陀螺仪的测量值跟踪b系相对于系的变化：式中，上标“^”表示计算值；“～”表示测量值；通过式(1)计算得到的姿态矩阵将加速度计的测量值投影到系中，得到惯性系中重力视运动向量为：所述的步骤2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响，具体包括：求取重力视运动的理想表达式如下：式中，fn为导航系n中重力加速度向量；g为重力加速度；e0为初始时刻地球系；e为地球系；ωie为地球自转角速度；aij与bij(i,j＝1～3)分别为矩阵与中的各元素；Aij为运算得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锡祥，赵玉，宋清，杨燕，刘贤俊，刘志鹏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32