一种递归多子样大动态惯性导航方法技术

一种递归多子样大动态惯性导航方法，属于航天器自主导航技术领域，包括如下步骤：S1、根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式；S2、利用角速度多项式，求解着陆器的旋转矢量；S3、利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数；S4、利用上一个时刻的姿态四元数和S3中所述的旋转四元数，计算得到当前时刻的姿态四元数；利用上一个时刻的惯性速度、上一时刻的姿态四元数、着陆器的陀螺的角度增量，得到当前时刻的惯性速度；利用上一个时刻的惯性位置、上一时刻的惯性速度、当前时刻的惯性速度，得到当前时刻的惯性位置。本发明专利技术方法大幅提高了大动态运动下的惯性导航精度。

【技术实现步骤摘要】
一种递归多子样大动态惯性导航方法
本专利技术涉及一种递归多子样大动态惯性导航方法，属于航天器自主导航

技术介绍
火星探测任务的进入、降落与着陆段(Entry，Descent，andLanding，简称EDL)是火星探测器近7亿千米旅途的最后6、7分钟，是火星表面探测任务的关键阶段，也是最困难的阶段。EDL技术也是火星表面探测任务的关键技术之一。从火星探测器以2万千米每小时的速度进入火星大气开始，经历大气减速，降落伞拖拽，动力减速等一系列的阶段，最终为了确保安全精确地降落在火星表面。火星进入下降过程的动态极大，特别是伞降段角速度震荡剧烈。而这期间仅能使用IMU进行惯性导航。在进行导航解算时，大动态造成的圆锥误差效应、划桨误差效应以及涡卷效应误差影响严重。现有多子样更新算法在一个导航更新周期内利用多个子样的IMU速度增量和角度增量进行多项式拟合，实现圆锥误差效应、划桨误差效应以及涡卷效应的有效补偿。但是现有多子样更新算法没有考虑相邻导航周期的角速度的连续性，导致其补偿效果有限。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种递归多子样大动态惯性导航方法，包括如下步骤：S1、根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式；S2、利用角速度多项式，求解着陆器的旋转矢量；S3、利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数；S4、利用上一个时刻的姿态四元数和S3中所述的旋转四元数，计算得到当前时刻的姿态四元数；利用上一个时刻的惯性速度、上一时刻的姿态四元数、着陆器的陀螺的角度增量，得到当前时刻的惯性速度；利用上一个时刻的惯性位置、上一时刻的惯性速度、当前时刻的惯性速度，得到当前时刻的惯性位置。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种递归多子样大动态惯性导航方法，包括如下步骤：S1、根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式；S2、利用角速度多项式，求解着陆器的旋转矢量；S3、利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数；S4、利用上一个时刻的姿态四元数和S3中所述的旋转四元数，计算得到当前时刻的姿态四元数；利用上一个时刻的惯性速度、上一时刻的姿态四元数、着陆器的陀螺的角度增量，得到当前时刻的惯性速度；利用上一个时刻的惯性位置、上一时刻的惯性速度、当前时刻的惯性速度，得到当前时刻的惯性位置。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，S3中，根据欧拉旋转原理，利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，角速度多项式为：ω(tm+τ)＝am+bmτ+cmτ20≤τ≤ΔT其中式中，ω为惯性角速度投影在IMU本体坐标系下，ΔT＝tm+1-tm为导航更新周期，am、bm、cm分别[tm,tm+1]时间区间角速度待拟合的系数，τ为[tm,tm+1]区间的任一时刻；IMU的陀螺在[tm-1,tm]导航周期输出两个角度增量的子样为Δθ1和Δθ2，θ'1和θ'2为[tm-1,tm]导航周期内的陀螺的两个子样；am-1为[tm,tm+1]时间区间的am。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，着陆器的旋转矢量为：φm＝αm+βm式中，从tm时刻到tm+1时刻的旋转矢量为φm；αm为tm时刻的角增量，βm为圆锥效应补偿项。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，当前时刻的姿态四元数为：其中式中，为四元数乘积，qm和qm+1分别为tm和tm+1时刻的惯性系到IMU本体坐标系的姿态四元数；从tm时刻到tm+1时刻的旋转矢量为φm。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，当前时刻的惯性速度为：其中式中，vm和vm+1分别为tm,tm+1时刻的惯性速度，为tm时刻IMU本体坐标系到惯性系的姿态转换矩阵，[tm-1,tm]为一导航周期，Δvg为引力加速度引起的速度增量；Δv1和Δv2为[tm,tm+1]区间内IMU加计测得的两个子样的速度增量，IMU的陀螺在[tm-1,tm]导航周期输出两个角度增量的子样为Δθ1和Δθ2，am为[tm,tm+1]时间区间角速度待拟合的系数。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，当前时刻的惯性位置为：式中，rm+1为tm+1时刻IMU在惯性系下的相对于中心天体的位置，rm为tm时刻IMU在惯性系下的相对于中心天体的位置，vm和vm+1分别为tm、tm+1时刻的惯性速度；ΔT＝tm+1-tm为导航更新周期，[tm-1,tm]为一导航周期。上述递归多子样大动态惯性导航方法，优选的，重复S1～S4，持续获得当前时刻的姿态四元数、当前时刻的惯性速度、当前时刻的惯性位置，完成飞行器的惯性导航。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术方法计算量小，无数值求解计算；(2)本专利技术方法大幅提高大动态运动下的惯性导航精度；(3)本专利技术方法可以减少IMU采样频率，降低IMU输出负担；(4)本专利技术方法可以增加导航更新周期，减轻导航计算机计算负担。附图说明图1为本专利技术方法的步骤流程图；图2为本专利技术方法的导航误差与现有技术的导航误差对比。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。一种递归多子样大动态惯性导航方法，如图1所示，包括如下步骤：1)根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式。考虑[tm,tm+1]区间内的导航更新，对该时间区间内的角速度进行多项式拟合ω(tm+τ)＝am+bmτ+cmτ20≤τ≤ΔT(1)其中ω为惯性角速度投影在IMU本体坐标系下，ΔT＝tm+1-tm为导航更新周期，am,bm,cm分别[tm,tm+1]区间为待拟合的系数，τ为[tm,tm+1]区间的任一时刻。记IMU的采样周期ΔtI,对于多子样更新算法有ΔT＝mΔtI(2)其中m≥1，为子样数量。这里考虑2个子样的情形，则有m＝2。从而ΔT＝2ΔtI(3)记IMU的陀螺在一个导航周期输出两个角度增量的子样为Δθ1和Δθ2。对式(1)进行积分可以得到:利用式(4)和(1)式可以求得：由角速度的连续性可以得到：ω(tm)＝ω(tm-1+ΔT)(6)由式(1)可知，在[tm-1,tm]的区间内，有ω(tm-1+τ)＝am-1+bm-1τ+cm-1τ20≤τ≤ΔT(7)其中am-1,bm-1,cm-1为[tm-1,tm]区间为角速度多项式待拟合的系数。因此有：...

【技术保护点】
1.一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式；/nS2、利用角速度多项式，求解着陆器的旋转矢量；/nS3、利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数；/nS4、利用上一个时刻的姿态四元数和S3中所述的旋转四元数，计算得到当前时刻的姿态四元数；/n利用上一个时刻的惯性速度、上一时刻的姿态四元数、着陆器的陀螺的角度增量，得到当前时刻的惯性速度；/n利用上一个时刻的惯性位置、上一时刻的惯性速度、当前时刻的惯性速度，得到当前时刻的惯性位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据着陆器的陀螺的角度增量和角速度的连续性特征，对着陆器的角速度进行多项式拟合，获得角速度多项式；
S2、利用角速度多项式，求解着陆器的旋转矢量；
S3、利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数；
S4、利用上一个时刻的姿态四元数和S3中所述的旋转四元数，计算得到当前时刻的姿态四元数；
利用上一个时刻的惯性速度、上一时刻的姿态四元数、着陆器的陀螺的角度增量，得到当前时刻的惯性速度；
利用上一个时刻的惯性位置、上一时刻的惯性速度、当前时刻的惯性速度，得到当前时刻的惯性位置。


2.根据权利要求1所述的一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，S3中，根据欧拉旋转原理，利用着陆器的旋转矢量构造旋转四元数。


3.根据权利要求1～2之一所述的一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，角速度多项式为：
ω(tm+τ)＝am+bmτ+cmτ20≤τ≤ΔT
其中









式中，ω为惯性角速度投影在IMU本体坐标系下，ΔT＝tm+1-tm为导航更新周期，am、bm、cm分别[tm,tm+1]时间区间角速度待拟合的系数，τ为[tm,tm+1]区间的任一时刻；IMU的陀螺在[tm-1,tm]导航周期输出两个角度增量的子样为Δθ1和Δθ2，θ'1和θ'2为[tm-1,tm]导航周期内的陀螺的两个子样；am-1为[tm,tm+1]时间区间的am。


4.根据权利要求1～2之一所述的一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，着陆器的旋转矢量为：
φm＝αm+βm
式中，从tm时刻到tm+1时刻的旋转矢量为φm；αm为tm时刻的角增量，βm为圆锥效应补偿项。


5.根据权利要求1～2之一所述的一种递归多子样大动态惯性导航方法，其特征在于，当前时刻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茂登，黄翔宇，郭敏文，徐超，魏春岭，张晓文，胡锦昌，王晓磊，王云鹏，刘旺旺，张琳，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11