一种大失准角情况下的快速传递对准方法技术

本发明专利技术公开了一种大失准角情况下的快速传递对准方法，首先用主子惯导所获得的速度信息、姿态信息作为传递对准算法的输入项，经过滤波算法处理后，得到子惯导作为失准角的速度误差与姿态误差，对速度误差与姿态误差进行实时补偿，从而实现传递对准；本发明专利技术所设计的传递对准方法，根据传递对准不同阶段的不同特征，采用不同的滤波输入与滤波模型实现传递对准，在大失准角阶段采用非线性模型保证传递对准的准确性；在小失准角阶段采用线性模型提升传递对准计算效率；有效解决了传统传递对准方法只能使用小失准角情况下的问题。

A Fast Transfer Alignment Method with Large Misalignment Angle

【技术实现步骤摘要】
一种大失准角情况下的快速传递对准方法
本专利技术涉及惯性导航领域，具体涉及一种大失准角情况下的快速传递对准方法。
技术介绍
随着现代战争对武器装备精确打击能力和快速反应能力的要求日益提高，当前绝大部分车载、机载、舰载武器系统均以捷联惯性导航系统(StrapdownInertialNavigationSystem，SINS)为核心导航设备，SINS的导航精度很大程度上决定了武器系统的最终打击精度。而对于武器系统而言，考虑到系统安全性，无法采用卫星导航等有源导航手段来对惯性导航进行辅助，此时，惯性导航精度主要取决于自身导航精度。而由于惯性导航采用积分推算原理，高精度初始位姿是获取高精度惯性导航定位数据的关键。目前一般采用传递对准技术对武器系统进行初始对准，即利用舰船、飞机、车辆上已对准好、精度高的惯导系统(主惯导系统)来对准武器系统上的惯导系统(子惯导系统)。传递对准过程可看作将主子惯导两套系统进行数据比对和匹配的过程，传递对准结果可通过对准精度和时间两个至关重要的因素来评判。子惯导系统在完成传递对准这一初始对准过程以后才可以进入正常导航状态。目前主流的传递对准均是基于小角度假设(即子惯导系统的失准角是小角度)，从而可以利用线性滤波方法进行解决，然而，在实际使用中，很多情况下是无法满足小角度假设的，即失准角并非小量误差。针对大失准角对准时，目前采用的方法主要有两种，一是传递对准姿态装订时，对子惯导进行安装角补偿，以期满足小角度要求，然后进行传统线性模型传递对准；二是采用非线性滤波模型和滤波算法，很多学者建立了以姿态角、姿态四元数或旋转矢量为姿态描述的非线性误差模型，可适用于大失准角下的传递对准。然而第一种方法的算法稳定性较差，容易出现算法发散的问题，较难应用于工程实际；而第二种方法存在计算量较大、收敛时间较长、在大失准角下估计度不高等问题。
技术实现思路
本专利技术拟提出一种大失准角情况下的快速传递对准方法，针对大失准角情况下的传递对准，采用“速度+姿态”匹配的传递对准滤波方法；在此基础上，根据传递对准算法运行过程中失准角不同的收敛情况，进一步将传递对准流程分割为两个阶段，依据不同阶段传递对准的不同情况与不同特征，采用不同的滤波模型和算法架构予以应对，实现了在大失准角情况下，快速且准确的传递对准。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种大失准角情况下的快速传递对准方法，首先用主子惯导所获得的速度信息、姿态信息作为传递对准算法的输入项，经过滤波算法处理后，得到子惯导作为失准角的速度误差与姿态误差，对速度误差与姿态误差进行实时补偿，从而实现传递对准，其中，所述对速度误差与姿态误差进行补偿是：在传递对准开始时，首先，将子惯导速度误差与姿态误差之间的非线性耦合关系作为滤波模型，将子惯导速度观测误差作为滤波算法的输入量展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿；随着传递对准的运行，当失准角位于小失准角范畴时，将子惯导速度观测误差和姿态观测误差作为滤波算法的输入量，将子惯导速度误差与姿态误差之间的线性化后的耦合关系作为线性滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿。方案进一步是：所述作为失准角的速度误差与姿态误差是通过将主惯导导航输出的速度和姿态变量转换为子惯导的外参考输出获得的，获得的过程是：第一步：确定主惯导与子惯导的速度转换关系式，式中，为子惯导在导航北东地坐标系中表示的外参考三轴速度，为主惯导输出在导航坐标系中表示的三轴速度，为杆臂速度输出在导航坐标系中表示的补偿项，其中，的计算如下：其中：代表主惯导由载体坐标系转换至导航坐标系输出的姿态转换矩阵；代表主惯导中的三轴陀螺仪所输出的载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在主惯导载体坐标系中的表示；rbm代表主惯导质心和子惯导质心的杆臂距离在在主惯导载体坐标系中的表示；×代表向量叉乘运算；第二步：确定主惯导与子惯导的姿态转换关系式：式中：Cref为子惯导的外参考姿态；为主惯导由载体坐标系转换至导航坐标系输出的姿态转换矩阵；为子惯导载体坐标系到主惯导坐标系的转换矩阵；第三步：在得到和Cref的基础上，将转换得到的子惯导的外参考输出与子惯导真实输出做差，得到的差值即为子惯导三轴速度误差和子惯导三轴姿态误差；所述子惯导三轴速度误差ZV通过关系式获取，其中，为子惯导输出的三轴速度在导航坐标系中的表示；所述子惯导三轴姿态误差Zθ通过关系式获取，ZDCM的计算关系式为其中，为子惯导输出由载体坐标系转换至导航坐标系的姿态转换矩阵。方案进一步是：所述将子惯导速度误差与姿态误差之间的非线性耦合关系作为滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差的步骤包括：一，取子惯导的姿态误差角、速度误差和子惯导的三轴加速度计零偏作为状态变量，为：式中：为在导航坐标系下的子惯导姿态误差，依次代表在导航坐标系X，Y，Z轴上的误差角度；为在导航坐标系下的子惯导速度误差；代表子惯导的三轴加速度计零偏；二，确定连续情形下的状态转移部分非线性滤波模型，为：其中：I代表3×3维数的单位矩阵；为由载体坐标系转换至导航坐标系的子惯导输出的姿态转换矩阵；代表子惯导所敏感到的比力信息在子惯导载体坐标系下的投影；代表子惯导所敏感到的角速度信息在子惯导载体坐标系下的投影；与W1v分别对应于对应的系统过程噪声；三，确定连续情形下的观测向量部分非线性滤波模型，为：其中：Z1代表量测值；V1对应于系统量测噪声；四，对应于二和三的连续情况下非线性滤波模型进行离散化，同时采用相应的非线性滤波算法得到在k时刻的失准角的估计结果：速度误差的估计结果：加速度计零偏的估计结果：利用误差估计结果与对子惯导的计算结果进行修正，同时在修正完成后，将估计得到的姿态误差与速度误差与进行置零处理。方案进一步是：所述失准角是否位于小失准角范畴的检测方法是：定义利用所述非线性模型滤波算法得到的k时刻加速度计零偏估计结果的变化值D(k)为：其中，||代表求取对应的绝对值；对加速度计零偏的估计结果进行监控，如果连续20个时刻中，加速度计零偏估计结果的变化值均小于预设阈值，则认为进入平稳状态，即：对于整数i从1递增至20，下式始终成立：D(k-i+1)<5×10-3则认为进入平稳状态。方案进一步是：所述将子惯导速度误差与姿态误差之间的线性化后的耦合关系作为线性滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差的步骤包括：一，取子惯导的姿态误差角、速度误差、陀螺零偏、加速度计零偏、加速度计刻度因数误差、加速度计不正交的安装误差和安装误差角作为线性滤波模型的状态量，为，式中：是作为失准角的子惯导姿态误差；为子惯导速度误差；为子惯导陀螺三轴常值漂移；为子惯导加速度计三轴常值漂移；为子惯导加速度计三轴常值刻度因数误差；为子惯导加速度计三轴不正交误差；μbh为实际弹体相对于名义安装位置的安装误差角；二，确定线性滤波模型对应的状态线性方程，为：Z＝HX+V式中W代表对应维数的系统过程噪声，V代表对应维数的系统量测噪声其中：为子惯导计算得到的bs系至n系的转换矩阵；fbs为子惯导敏感到的三轴比力在子惯导载体坐标系下的投影，fbs(1),fbs(2),fbs(3)分别为fbs的第1，2，3个元素；()×代表求取对应向量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大失准角情况下的快速传递对准方法，首先用主子惯导所获得的速度信息、姿态信息作为传递对准算法的输入项，经过滤波算法处理后，得到子惯导作为失准角的速度误差与姿态误差，对速度误差与姿态误差进行实时补偿，从而实现传递对准，其特征在于，所述对速度误差与姿态误差进行补偿是：在传递对准开始时，首先，将子惯导速度误差与姿态误差之间的非线性耦合关系作为滤波模型，将子惯导速度观测误差作为滤波算法的输入量展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿；随着传递对准的运行，当失准角位于小失准角范畴时，将子惯导速度观测误差和姿态观测误差作为滤波算法的输入量，将子惯导速度误差与姿态误差之间的线性化后的耦合关系作为线性滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿。

【技术特征摘要】
1.一种大失准角情况下的快速传递对准方法，首先用主子惯导所获得的速度信息、姿态信息作为传递对准算法的输入项，经过滤波算法处理后，得到子惯导作为失准角的速度误差与姿态误差，对速度误差与姿态误差进行实时补偿，从而实现传递对准，其特征在于，所述对速度误差与姿态误差进行补偿是：在传递对准开始时，首先，将子惯导速度误差与姿态误差之间的非线性耦合关系作为滤波模型，将子惯导速度观测误差作为滤波算法的输入量展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿；随着传递对准的运行，当失准角位于小失准角范畴时，将子惯导速度观测误差和姿态观测误差作为滤波算法的输入量，将子惯导速度误差与姿态误差之间的线性化后的耦合关系作为线性滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差后进行实时补偿。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作为失准角的速度误差与姿态误差是通过将主惯导导航输出的速度和姿态变量转换为子惯导的外参考输出获得的，获得的过程是：第一步：确定主惯导与子惯导的速度转换关系式，式中，为子惯导在导航北东地坐标系中表示的外参考三轴速度，为主惯导输出在导航坐标系中表示的三轴速度，为杆臂速度输出在导航坐标系中表示的补偿项，其中，的计算如下：其中：代表主惯导由载体坐标系转换至导航坐标系输出的姿态转换矩阵；代表主惯导中的三轴陀螺仪所输出的载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在主惯导载体坐标系中的表示；rbm代表主惯导质心和子惯导质心的杆臂距离在在主惯导载体坐标系中的表示；×代表向量叉乘运算；第二步：确定主惯导与子惯导的姿态转换关系式：式中：Cref为子惯导的外参考姿态；为主惯导由载体坐标系转换至导航坐标系输出的姿态转换矩阵；为子惯导载体坐标系到主惯导坐标系的转换矩阵；第三步：在得到和Cref的基础上，将转换得到的子惯导的外参考输出与子惯导真实输出做差，得到的差值即为子惯导三轴速度误差和子惯导三轴姿态误差；所述子惯导三轴速度误差ZV通过关系式获取，其中，为子惯导输出的三轴速度在导航坐标系中的表示；所述子惯导三轴姿态误差Zθ通过关系式获取，ZDCM的计算关系式为其中，为子惯导输出由载体坐标系转换至导航坐标系的姿态转换矩阵。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将子惯导速度误差与姿态误差之间的非线性耦合关系作为滤波模型，展开滤波计算，得到子惯导的速度误差与姿态误差的步骤包括：一，取子惯导的姿态误差角、速度误差和子惯导的三轴加速度计零偏作为状态变量，为：式中：为在导航坐标系下的子惯导姿态误差，依次代表在导航坐标系X，Y，Z轴上的误差角度；为在导航坐标系下的子惯导速度误差；代表子惯导的三轴加速度计零偏；二，确定连续情形下的状态转移部分非线性滤波模型，为：其中：，I代表3×3维数的单位矩阵；为由载体坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁源，徐兵，
申请(专利权)人：北京壹氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11