一种旋转调制型捷联惯导系统晃动基座初始对准方法技术方案

本发明专利技术涉及一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座下初始对准方法。利用比力方程，建立旋转调制型捷联惯导系统的误差模型；基于旋转调制技术，实现对惯性元件常值漂移的误差补偿；采用跟踪重力矢量在导航坐标系和载体坐标系下的分量，实现晃动基座下的粗对准；利用卡尔曼滤波技术实现对水平失准角和方位失准角的估计，最后完成整个对准过程，本发明专利技术属于惯性导航领域，可用于快速应急发射时运载火箭发射前的快速定位定向。

A method of initial alignment for sloshing base of gyromodulated strapdown inertial navigation system

【技术实现步骤摘要】
一种旋转调制型捷联惯导系统晃动基座初始对准方法
本专利技术属于惯性导航领域，可用于快速应急发射时运载火箭发射前的快速定位定向。技术背景初始对准技术是捷联惯导系统进行实时导航定位的第一步，只有保证初始对准高精度，后续导航才能精确，初始对准可以分为粗对准和精对准两个过程。粗对准主要是通过双矢量定姿的方法，即空间中不共线的两个矢量确定载体初始时刻姿态的过程，当载体在静止条件下，一般采用重力矢量和地球自转角速度矢量；当载体在晃动基座条件下，地球自转角速度矢量会受到很大的干扰，无法进行初始定姿对准。西北工业大学秦永元等在文献《摇摆基座上基于信息的捷联惯导粗对准研究》提出了一种凝固坐标系的粗对准方法，该方法利用跟踪重力矢量的方法，即不同时刻重力矢量在地球坐标系和载体坐标系下的分量，来实现双矢量定姿，该方法能够有效屏蔽晃动对于粗对准的影响。精对准主要是利用卡尔曼滤波技术，通过建立误差方程，实现对方位失准角和水平失准角的估计的过程，在此基础上发展了容积卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波以及渐消因子卡尔曼滤波等。颜开思等在文献《晃动基座下的SINS初始对准方法研究》中采用凝固坐标系的粗对准和卡尔曼滤波的精对准方法，解决了晃动基座初始对准问题，但是对于惯性元件的常值漂移未作出补偿，这样会导致惯性元件的输出精度不高，对准误差大。针对惯性元件常值漂移影响对准精度的问题，提出了一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座初始对准算法，该方法能够通过旋转调制技术补偿惯性元件常值漂移，实现晃动基座下旋转调制捷联惯导系统精确对准。专利技术内容本专利技术的技术解决问题是：提供了一种旋转调制型捷联惯导系统晃动基座初始对准算法，实现了晃动基座条件下旋转调制型捷联惯导系统精确初始对准。该方法不仅可以通过旋转调制技术补偿惯性元件常值漂移，还能通过凝固坐标系的方法实现晃动基座粗对准过程，最后利用卡尔曼滤波方法实现精对准，为晃动基座下旋转调制型捷联惯导系统初始对准提供了一种全新的算法。本专利技术的技术解决方案是：建立旋转调制型捷联惯导系统误差方程，通过旋转调制技术实现对惯性元件常值漂移的补偿，利用凝固坐标系的方法实现晃动基座条件下粗对准，最后采用卡尔曼滤波技术对失准角进行估计，完成精对准。具体包括以下步骤：(1)旋转调制技术及旋转调制型捷联惯导误差模型：连续旋转调制的基本原理为：若惯性元件在旋转台的带动下绕Z轴以恒定角速度ω旋转，则在任意时刻t陀螺仪的输出为式(1)，转化为载体坐标系下的分量为式(2)ωs——陀螺仪的输出；ωn——地球自转角速度在导航坐标系下的分量；ωZ——转台的自转在角速度在惯性元件坐标系下的分量；εc——为陀螺仪的常值漂移；εr——陀螺仪的随即漂移；——为载体坐标系到惯性元件坐标系的转换矩阵；——为导航坐标系到载体坐标系的转换矩阵；——为惯性元件坐标系到载体坐标系的转换矩阵。常值漂移在载体系下的分量可以表示为εc——为陀螺仪的常值漂移；εb——为陀螺仪的常值漂移在载体系下的分量；——为惯性元件坐标系到载体坐标系的转换矩阵；x,y,z——表示坐标轴。旋转调制型捷联惯导系统误差模型：当载体仅存在晃动而没有位移的情况下，忽略水平交叉耦合项，可以得到如下误差模型：因初始对准时间较短，所以可以假定加速度误差和陀螺漂移为随机常数，即惯性器件模型为:对于旋转调制型捷联惯导系统有δVN——北向速度误差；δVE——东向速度误差；——北向失准角；——东向失准角；——方位向失准角；ωie——地球自转角速度；g——当地重力加速度；L——当地地理纬度；R——为地球半径；——为加速度计的随机常值偏置；ε——为陀螺仪随机常值漂移；x,y,z——分别表示惯性元件坐标轴。(2)基于凝固坐标系的粗对准晃动基座条件下，陀螺仪的输出信息会受到影响，而加速度计的输出几乎没有影响，所以凝固坐标系粗对准方法，主要是根据不同时刻重力矢量在载体坐标系和导航坐标系下的分量，再通过双矢量定姿的方法得到对准矩阵，具体方法如下：根据链式法则可以得到——为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵；——为地球坐标系到导航坐标系的转换矩阵；——为凝固惯性地球坐标系到地球坐标系的转换矩阵；——为凝固惯性载体坐标系到凝固惯性地球坐标系的转换矩阵；——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵；L——为当地的地理纬度；ωie——为地球自转角速度；Δt——为时间间隔；——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵；——为陀螺仪的输出在凝固惯性载体坐标系下的分量；×——表示矩阵的叉乘计算。其中是载体坐标系下陀螺仪测得的载体自转角速率。可以通过等效旋转矢量的方法求取：而是通过陀螺仪测量得到的，是一个随时间变化的量，其在时间间隔为T的情况下等效旋转矢量可以近似表示为——为采样间隔T时间内的等效旋转矢量；Δθ1——为0～T/2时间内积分结果；Δθ2——为T/2～T时间内积分结果；——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵；×——表示矩阵的叉乘计算。为初始时刻载体坐标系到地球坐标系的转换矩阵，该矩阵为常值，可以采用双矢量定姿的方法求取，但是传统的双矢量定姿的方法由于基座晃动的原因，导致陀螺仪的输出误差较大，所以采用跟踪重力矢量，即选取不同时刻重力加速度在初始时刻载体坐标系和初始时刻地球坐标系下的分量作为双矢量进行定姿，该方法能够有效屏蔽角晃动对初始对准精度的影响；根据惯性导航坐标系的定义可知g——为地球重力加速度；gn——为重力加速度在导航坐标系下的分量；——为重力加速度在地球坐标下的分量；——为导航坐标系到地球坐标系的转换矩阵；——为地球坐标系到凝固惯性地球坐标系的转换矩阵；L——为当地的地理纬度；ωie——为地球自转角速度；Δt——为时间间隔。重力加速度g在载体坐标系下的分量可以通过加速度计获得，将其转化为凝固惯性载体坐标系下的分量可以得到式中——为加速度计的输出在凝固惯性载体坐标系下的分量；fb——为加速度计的输出在载体坐标系下的分量；——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵。根据比力方程，当忽略载体的线性干扰可以获得——为加速度计的输出在凝固惯性载体坐标系下的分量；——为重力加速度在地球坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座下初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)利用旋转调制技术实现对惯性元件常值漂移的误差补偿，并建立旋转调制型捷联惯导系统误差方程，对系统进行误差分析；/n(2)将旋转调制后的高精度惯性元件输出作为初始对准输入，通过凝固坐标系的粗对准方法，得到晃动基座条件下高精度初始姿态信息；/n(3)最后利用粗对准得到的姿态角，进行卡尔曼滤波得到失准角估计值，对姿态角进行修正，完成旋转调制型捷联惯导系统晃动基座条件下初始对准。/n

【技术特征摘要】
1.一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座下初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用旋转调制技术实现对惯性元件常值漂移的误差补偿，并建立旋转调制型捷联惯导系统误差方程，对系统进行误差分析；
(2)将旋转调制后的高精度惯性元件输出作为初始对准输入，通过凝固坐标系的粗对准方法，得到晃动基座条件下高精度初始姿态信息；
(3)最后利用粗对准得到的姿态角，进行卡尔曼滤波得到失准角估计值，对姿态角进行修正，完成旋转调制型捷联惯导系统晃动基座条件下初始对准。


2.根据权利要求1所述的一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座下初始对准方法，其特征在于：步骤(1)所述利用旋转调制技术实现对惯性元件常值漂移的误差补偿，并建立旋转调制型捷联惯导系统误差方程，对系统进行误差分析，按照以下方法实现：
连续旋转调制的基本原理为：
若惯性元件在旋转台的带动下绕Z轴以恒定角速度ω旋转，则在任意时刻t陀螺仪的输出为式(1)，转化为载体坐标系下的分量为式(2)






ωs——陀螺仪的输出；
ωn——地球自转角速度在导航坐标系下的分量；
ωZ——转台的自转在角速度在惯性元件坐标系下的分量；
εc——为陀螺仪的常值漂移；
εr——陀螺仪的随机漂移；

——为载体坐标系到惯性元件坐标系的转换矩阵；

——为导航坐标系到载体坐标系的转换矩阵；

——为惯性元件坐标系到载体坐标系的转换矩阵；
常值漂移在载体系下的分量可以表示为



εc——为陀螺仪的常值漂移；
εb——为陀螺仪的常值漂移在载体系下的分量；

——为惯性元件坐标系到载体坐标系的转换矩阵；
x,y,z——表示坐标轴方向；
当载体仅存在晃动而没有位移的情况下，忽略水平交叉耦合项，可以得到如下误差模型：


















因初始对准时间较短，所以可以假定加速度误差和陀螺漂移为随机常数，即惯性器件模型为:






对于旋转调制型捷联惯导系统有






δVN——北向速度误差；
δVE——东向速度误差；

——北向失准角；

——东向失准角；

——方位向失准角；
ωie——地球自转角速度；
g——当地重力加速度；
L——当地地理纬度；
R——为地球半径；

——为加速度计的随机常值偏置；
ε——为陀螺仪随机常值漂移；
x,y,z——分别表示惯性元件坐标轴；
E,N,U——表示导航坐标系坐标轴，即北，天，东方向。


3.根据权利要求1所述的一种旋转调制型捷联惯导系统在晃动基座下初始对准方法，其特征在于：步骤(2)所述将旋转调制后的高精度惯性元件输出作为输入，通过凝固坐标系的粗对准方法，得到高精度初始姿态信息，按照以下方法实现：
晃动基座条件下，陀螺仪的输出信息会受到影响，而加速度计的输出几乎没有影响，所以凝固坐标系粗对准方法，主要是根据不同时刻重力矢量在载体坐标系和导航坐标系下的分量，再通过双矢量定姿的方法得到对准矩阵，具体方法如下：
根据链式法则可以得到













——为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵；

——为地球坐标系到导航坐标系的转换矩阵；

——为凝固惯性地球坐标系到地球坐标系的转换矩阵；

——为凝固惯性载体坐标系到凝固惯性地球坐标系的转换矩阵；

——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵；
L——为当地的地理纬度；
ωie——为地球自转角速度；
Δt——为时间间隔；

——为载体坐标系到凝固惯性载体坐标系的转换矩阵；

——为陀螺仪的输出在凝固惯性载体坐标系下的分量；
×——表示矩阵的叉乘计算；
其中是载体坐标系下陀螺仪测得的载体自转角速率。可以通过等效旋转矢量的方法求取：
而是通过陀螺仪测量得到的，是一个随时间变化的量，其在时间间隔为T的情况下等效旋转矢量可以近似表示为










——为采样间隔T时间内的等效旋转矢量；
Δθ1——为0～T/2时间内积分结果；
Δθ2——为T/2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王怀鹏，蔡远文，辛朝军，杨晨，史美玲，黄梦盈，赵龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11