基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法制造技术

本发明专利技术设计了一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，该方法首先针对极区惯导工作方式进行研究，采用逆坐标系方法，为航行器在高纬度地区提供角速度和加速度信息，而在低纬度区域下依然采用传统指北坐标系工作模式，并借助外界传感器辅助减小载体运行过程中，两个工作模式相互转化会导致原理性误差。本发明专利技术专利可用于舰船极区导航，解决了捷联惯性导航系统在极区附近不能工作的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法
本专利技术涉及捷联惯导
，特别是涉及一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法。
技术介绍
2017年5月8日，进一步提高我国海洋科技的创新水平并完善海洋科技的创新体系，国土资源部、国家海洋局和科技部三部门联合开展了一系列海洋领域科技创新专项规划，并指出为了应对极区环境的变化，必须深入对极区进行全方位的开展研究，开展极地相关设备的开发和关键技术的公关，可以为极地研究提供有力的支撑。随着全球气候的不断转暖，北极冰层的覆盖面积逐渐减少，2007年，美国宇航局卫星显示西北航道和东北航道有史以来第一次同时完全畅通，随后的几年高纬度地区附近的欧美等国纷纷尝试了北极航道，北极航道大大地缩短美洲、亚洲和欧洲之间的距离，节约了40％左右的航程，由此可见北极航道拥有巨大的商业意义与战略潜力。导航系统的设计通常要求其在极区环境下仍然具备自主性、可靠性和高精度等优点。北冰洋地区水域，多数山脉会被白雪覆盖，特征提取相对困难，路标定位并不是很好的选择；极区环境恶劣气温较低，奥米加信号受高纬度地区极冠吸收现象影响，建设基站相对困难，信号难以接收，无线电定位也并不是很好的选择。在极区附近，由于高纬度地区电离层闪烁频繁，太阳黑子和磁暴会带来高强电磁干扰，星体辨识度很差，因此以卫星导航系统(GlobalPositioningSystem,GPS)、星敏感器为代表的天文导航手段极区精度会受到一定的影响。地磁磁极与运载体距离较近，罗经天向轴与地磁轴接近重合，作用于水平的分量相对较少，极区的极光和磁暴频发，严重时可使罗经的误差达到几十度，罗经在高纬度地区变得极易受干扰，寻北时间会极大地延长，罗经寻北也并不是很好的选择。惯导系统(InertialNavigationSystem,INS)是一种不依赖于任何的外部信息，也不向外辐射任何能量的自主导航系统。从原理上来讲不受地域上的限制，这也使得惯性导航系统成为火箭、飞机和船舶等航行器的必备导航工具，由于极区地球位置的特殊性，经线在近极点地区快速汇集成一点导致方位收敛速度过快方位跟踪电机施矩动态误差增大，无法很好地跟踪真实北向，在捷联惯性导航系统(StrapdownInertialNavigationSystem,SINS)中,导航计算机中的数学平台在计算指北坐标系相对地球坐标系的角速度时，如果运载体跨越极点，也会产生计算溢出现象，从根本上来讲，目前基于指北方位编排的平台式惯导系统和捷联式惯导系统，在极区无法适用的原因本质上是寻北的困难。从惯性测量原理上来看，惯性器件测量不受地域限制，人为设置的指北基准和指北坐标系使得惯性导航系统不能适用。针对以上问题，本专利技术设计了一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，该方法首先针对极区惯导工作方式进行研究，采用逆坐标系方法，为航行器在高纬度地区提供角速度和加速度信息，而在低纬度区域下依然采用传统指北坐标系工作模式，借助外界传感器辅助减小转换后工作模式的初始误差。本专利技术专利可用于舰船极区导航，避免了捷联惯性导航系统在极区附近不能工作的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，包括以下步骤：步骤一：建立逆地球坐标系，给出逆坐标系捷联惯导系统的工作机理，为航行器在高纬度地区提供角速度和加速度信息，以实现极区惯性导航。在低纬度区域下依然采用传统指北坐标系工作模式；步骤二：建立基于圆球地球的误差模型，根据逆坐标系和指北坐标系的误差特性，建立误差预测向量；步骤三：在不同位置下，通过各工作模式的常值误差项和累积误差项综合比较预测误差的大小和发散速度，判断用何种工作模式较为适当。借助外界传感器辅助以减小转换后工作模式的初始误差，以提高转换精度。在步骤一中，逆地球坐标系模型如下：逆地球坐标系原地球坐标系Oexeyeze进行如下两次旋转：旋转后得到的逆地球坐标系(etr系)的指向地理新北向(原地球坐标系的x轴)，沿垂直方向指向天向(原地球坐标系的ye轴重合)，与其他二轴构成右手坐标系(原地球坐标系的ze轴)。逆地球坐标系(etr-系)与原地球坐标系(e-系)之间的转换矩阵：逆地球方程为逆地球坐标系下卯酉圈椭圆参数方程为任意纬度下卯酉圈半径离心率为以任意位置子午圈为平面建立坐标系，由椭圆极坐标参数方程得出该子午圈离心率eM可以为沿载体所在位置P切割得到的卯酉圈半径为RN子午圈椭圆半径为RM在逆坐标系工作模式下采用“逆东-北-天”地理坐标系(t系)，以t系作为参考系的姿态微分方程为：其中为捷联矩阵，为载体系(b系)相对于t系得角速度，则需要由陀螺仪输出得载体系(b系)相对于t系得角速度与地球转动角速度来求得。地球的转动引起的逆地理坐标系的角速度为：由载体运动引起的逆地理坐标系相对逆地球坐标系角速度与常规坐标系中的表达一致。子午圈与卯酉圈的主曲率半径随地球位置变化发生更新：其中和为逆东向逆北向速度，最后得到控制数学平台的旋转角速度为：RN、RM分别为卯酉圈与子午圈的曲率半径。在步骤二中，逆坐标系误差特性模型如下：速度误差方程为忽略误差的二阶小量后得到标量形式：姿态误差方程为其中φtr为逆地理坐标系tr′系与理想逆地理坐标系tr系之间的误差角，I为单位阵，φtr×为φtr的反对称阵，两式微分后回代得到标量形式为位置更新方程为标量形式如下：在步骤三中，切换算法具体如下：在转换过程中捷联姿态矩阵为时变矩阵，IMU与载体固联，通过转换前的工作模式可以得知计算坐标系对载体坐标系下的捷联矩阵，从而得到DVL测得载体速度在计算坐标系下的投影。n系转换为tr系：模式转换后的捷联矩阵通过矩阵链乘分解得到：其中λ和L为模式转换过程中载体得经度和纬度，λ0和L0为模式转换初始时刻载体得经度和纬度；λtr和Ltr为模式转换过程中载体得逆经度和逆纬度，和为模式转换初始时刻载体得逆经度和逆纬度。tr系转换为n系：模式转换后的捷联矩阵通过矩阵链乘分解得到：其中λ和L为模式转换过程中载体得经度和纬度，λ0和L0为模式转换初始时刻载体得经度和纬度；λtr和Ltr为模式转换过程中载体得逆经度和逆纬度，和为模式转换初始时刻载体得逆经度和逆纬度。在步骤三中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：建立逆地球坐标系，给出逆坐标系捷联惯导系统的工作机理，为航行器在高纬度地区提供角速度和加速度信息，以实现极区惯性导航。在低纬度区域下依然采用传统指北坐标系工作模式；/n步骤二：建立基于圆球地球的误差模型，根据逆坐标系和指北坐标系的误差特性，建立误差预测向量；/n步骤三：在不同位置下，通过各工作模式的常值误差项和累积误差项综合比较预测误差的大小和发散速度，判断用何种工作模式较为适当。借助外界传感器辅助的思路减小转换后工作模式的初始误差，利用外传感器辅助转换思路可以提高转换精度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立逆地球坐标系，给出逆坐标系捷联惯导系统的工作机理，为航行器在高纬度地区提供角速度和加速度信息，以实现极区惯性导航。在低纬度区域下依然采用传统指北坐标系工作模式；
步骤二：建立基于圆球地球的误差模型，根据逆坐标系和指北坐标系的误差特性，建立误差预测向量；
步骤三：在不同位置下，通过各工作模式的常值误差项和累积误差项综合比较预测误差的大小和发散速度，判断用何种工作模式较为适当。借助外界传感器辅助的思路减小转换后工作模式的初始误差，利用外传感器辅助转换思路可以提高转换精度。


2.根据权利要求1所述的一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，其特征在于，逆地球坐标系模型如下：
逆地球坐标系原地球坐标系Oexeyeze进行如下两次旋转：



旋转后得到的逆地球坐标系(etr系)的指向地理新北向(原地球坐标系的x轴)，沿垂直方向指向天向(原地球坐标系的ye轴重合)，与其他二轴构成右手坐标系(原地球坐标系的ze轴)。逆地球坐标系(etr-系)与原地球坐标系(e-系)之间的转换矩阵：



逆地球方程为

。


3.根据权利要求1所述的一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，其特征在于，角速度更新算法为：
在逆坐标系工作模式下采用“逆东-北-天”地理坐标系(t系)，以t系作为参考系的姿态微分方程为：



其中为捷联矩阵，为载体系(b系)相对于t系得角速度，则需要由陀螺仪输出得载体系(b系)相对于t系得角速度与地球转动角速度来求得。
地球的转动引起的逆地理坐标系的角速度为：



由载体运动引起的逆地理坐标系相对逆地球坐标系角速度与常规坐标系中的表达一致。


4.根据权利要求1所述的一种基于外传感器辅助的双坐标系转换导航算法，其特征在于，误差更新模型为：
逆坐标系误差特性模型如下：
速度误差方程为



姿态误差方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚，高伟，刘超，姜奇，王国臣，于飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23