一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法技术

本发明专利技术公开了一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法。利用星敏感器提供的相对于惯性空间的姿态转换矩阵将加速度计输出信息投影转换至惯性系，根据重力加速度在惯性系投影为常值这一信息特性，设计Butterworth低通滤波器并对投影结果进行提取，进而根据提取信息解算得到载体姿态角的粗略估算结果，完成粗对准过程。本发明专利技术方法使得粗对准过程不受惯性组件测量误差影响，不需要已知位置信息，适用于载体摇摆和升沉等运动，扩大了粗对准方法的使用范围，增强了捷联惯导系统粗对准方法的适用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于捷联惯导系统粗对准方法，尤其涉及一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法。 
技术介绍
捷联惯性导航系统作为一种不对外发射信号、不受外界干扰的全自主导航系统，目前已经广泛应用于舰船等军用设备上。然而，捷联惯导系统在进入导航工作状态之前，需要明确载体系与导航系之间的转换关系，即初始对准过程，以便完成导航的任务。初始对准按对准的阶段又分为粗对准和精对准，粗对准是为后续的对准提供基准，所以要求速度快，精度可以低一些。 由万德钧和房建成编撰的《惯性导航初始对准》一书中，介绍了传统的解析式粗对准方法，该方法中将加速度计输出的重力加速度信息作为水平对准的基准，进而获取水平姿态角的粗对准结果。再利用罗经效应，将地球角速率向量Ω沿导航系北向的投影结果作为方位对准的基准，进而获取方位姿态角的粗对准结果。这种方法尽管普遍应用，但是该方法的缺点是：(1)上述对准方法需要已知运载体位置信息；(2)对准过程中，没有考虑惯性器件测量误差对对准精度的影响；(3)上述对准方法仅适用于载体静止状态，没有考虑船舶在系泊或者机动时所引起的运动加速度对对准精度的影响。 针对上述问题，《西北工业大学学报》2005年第05期由秦永元、严恭敏等人撰写的《摇摆基座上基于g信息的捷联惯导粗对准研究》提出了载体系泊状态下的粗对准方法。该方法将姿态矩阵分散成4个矩阵求取，建立基座惯性坐标系使舰体相对坐标系的姿态矩阵初值成为单位阵，从而使姿态更新解算成为可能。然而，这种方法不仅没有考虑惯性器件误差的影响，也无法消除载体升沉等运动对对准精度的影响；于2011年6月在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊中第1930-1941页由Silson,P.M.G.撰写的Coarse Alignment of a ship’s Strapdown Inertial Attitude Reference System Using Velocity Loci一文中提出了基于GPS速度的粗对准方法，通过GPS速度及其微分项来消除加速度计测量值中除重力加速度分量以外的速度信息，进而避免载体系泊状态下的被动运动对粗对准精度的影响。然而，该方法需要GPS实时提供速度信息，对GPS的依赖严重制约了其战时可用性。此外，该对准方法需要已知载体位置信息，限制了该方法的适用范围。 
技术实现思路
本专利技术的目的是提供不需要载体位置信息并且能够减小惯性器件误差的，一种位置未知 条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法。 本专利技术是通过以下技术方案实现的： 一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，包括以下几个步骤： 步骤一：采集安装于载体表面的加速度计的输出在载体坐标系投影fb，采集星敏感器输出的载体坐标系b到惯性坐标系i的姿态转换矩阵其中，f表示加速度计测量输出，b表示载体坐标系； 步骤二：根据星敏感器输出的姿态转换矩阵将加速度计的输出在载体坐标系投影fb转换为在惯性坐标系投影步骤三：根据加速度计的输出在惯性坐标系投影fi的信息特性，设计Butterworth低通滤波器，将加速度计的输出在惯性坐标系投影fi通过Butterworth低通滤波器，得到滤波后的信息δfi＝gi，gi为惯性坐标系下重力加速度； 步骤四：根据滤波后的信息δfi，得到惯性坐标系旋转至导航坐标系的旋转角度α和β，确定惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵步骤五：根据惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵和星敏感器输出的载体坐标系b到惯性坐标系i的姿态转换矩阵确定载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵步骤六：根据载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵得到载体姿态角的粗略估计，完成粗对准过程。 本专利技术一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，还可以包括： 1、加速度计的输出在载体坐标系投影fb为： fb＝gb+ab+Δb其中，g表示重力加速度，a表示载体系泊状态下由升沉、振荡等引起的载体周期振荡加速度，Δ表示加速度计零位偏置。 2、加速度计在惯性坐标系投影惯性坐标系下重力加速度gi的信息特性为常量，惯性坐标系下加速度ai为周期振荡形式，惯性坐标系下零位偏置Δi为周期振荡形式。 3、Butterworth低通滤波器为： H(z)=(e-A+B-3e-A+BcosB+1)z-1+[e-A-e-A+B(sinB-cosB)]z-21-2e-A+BcosBz-1+e-Az-2]]>其中，滤波器的截止频率为aHz，采样频率为b1Hz，z为z变换的变量；e为数学自然常数，e≈2.71828。 4、惯性坐标系旋转到导航坐标系的旋转角度α和β为： α=-arctan(δfxiδfyi)β=arctan(δfzisinαδfxi)]]>其中，分别表示滤波后的信息δfi在惯性坐标系系x、y和z轴的投影。 惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵为： Cin=1000sinβcosβ0-cosβsinβcosαsinα0-sinαcosα0001.]]>5、载体姿态角的粗略估计为： φx=arcsinc32φy=arctan(-c31/c33)φz=arctan(-c12/c22)]]>其中，φx、φy、φz分别表示载体纵摇角、横摇角和航向角的估算结果，cij i,j＝1,2,3表示矩阵第i行、第j列矩阵元素。 本专利技术的有益效果： 本专利技术利用星敏感器输出的载体系相对惯性系的高精度姿态矩阵将加速度计测量输出投影转换至惯性系，利用Butterworth低通滤波器提取出重力加速度在惯性系的常值投影，进而根据滤波后信息解算出载体姿态角的粗略估算结果。本专利技术不需外界提供位置信息、不受惯性组件测量误差和载体摇摆、升沉等运动的影响，使得本专利技术的粗对准效果更好，适用范围更广，适用性更强。 附图说明图1为一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法的流程图； 图2为惯性坐标系oxiyizi和导航坐标系oxnynzn转换关系示意图； 图3为根据gi信息特性设计的Butterworth低通滤波器幅频响应曲线； 图4-1为仿真得到本专利技术的纵摇误差曲线，图4-2为仿真得到本专利技术的横摇误差曲线，图4-3为仿真得到本专利技术的航向误差曲线； 图5-1为仿真得到使用传统的解析式粗对准方法解算的纵摇误差曲线，图5-2为仿真得到使用传统的解析式粗对准方法解算的横摇误差曲线，图5-3为仿真得到使用传统的解析式粗对准方法解算的航向误差曲线； 图6为对粗对准仿真结果统计表。 具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。 如图1所示，本专利技术提供一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，具体包括如下步骤： <本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：采集安装于载体表面的加速度计的输出在载体坐标系投影fb，采集星敏感器输出的载体坐标系b到惯性坐标系i的姿态转换矩阵其中，f表示加速度计测量输出，b表示载体坐标系；步骤二：根据星敏感器输出的姿态转换矩阵将加速度计的输出在载体坐标系投影fb转换为在惯性坐标系投影步骤三：根据加速度计的输出在惯性坐标系投影fi的信息特性，设计Butterworth低通滤波器，将加速度计的输出在惯性坐标系投影fi通过Butterworth低通滤波器，得到滤波后的信息δfi＝gi，gi为惯性坐标系下重力加速度；步骤四：根据滤波后的信息δfi，得到惯性坐标系旋转至导航坐标系的旋转角度α和β，确定惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵步骤五：根据惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵和星敏感器输出的载体坐标系b到惯性坐标系i的姿态转换矩阵确定载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵步骤六：根据载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵得到载体姿态角的粗略估计，完成粗对准过程。

【技术特征摘要】
1.一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：采集安装于载体表面的加速度计的输出在载体坐标系投影fb，采集星敏感器输出的
载体坐标系b到惯性坐标系i的姿态转换矩阵其中，f表示加速度计测量输出，b表示载
体坐标系；
步骤二：根据星敏感器输出的姿态转换矩阵将加速度计的输出在载体坐标系投影fb转换
为在惯性坐标系投影步骤三：根据加速度计的输出在惯性坐标系投影fi的信息特性，设计Butterworth低通滤波器，
将加速度计的输出在惯性坐标系投影fi通过Butterworth低通滤波器，得到滤波后的信息
δfi＝gi，gi为惯性坐标系下重力加速度；
步骤四：根据滤波后的信息δfi，得到惯性坐标系旋转至导航坐标系的旋转角度α和β，确定
惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵步骤五：根据惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵和星敏感器输出的载体坐标系b到
惯性坐标系i的姿态转换矩阵确定载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵步骤六：根据载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵得到载体姿态角的粗略估计，完成粗
对准过程。
2.根据权利要求1所述的一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，其特征在
于：所述的加速度计的输出在载体坐标系投影fb为：
fb＝gb+ab+Δb其中，g表示重力加速度，a表示载体系泊状态下由升沉、振荡等引起的载体周期振荡
加速度，Δ表示加速度计零位偏置。
3.根据权利要求1所述的一种位置未知条件下的星敏感器/加速度计粗对准方法，其特征在
于：所述的加速度计在惯性坐标系投影惯性坐标系下重力加速度gi的信息特性为常量，惯性坐标系下加速度ai为周期振荡形式，惯性坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋滢，刁鸣，李一兵，于飞，朱明红，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23