捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法、系统及终端技术方案

本发明专利技术属于惯性导航系统的初始对准技术领域，公开了一种捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法、系统及终端，初始化随机粒子变量，设定适应值函数，将粒子位置代入适应值函数得到适应值，并对比所有粒子的适应值判断粒子位置的优劣；在每次迭代中，所有粒子的位置根据一定的进化规则，跟踪最优位置，直到迭代达到预设次数；将PSO方法应用到捷联惯导系统的初始航向对准中，将初始姿态作为粒子群的寻优目标，同时将加速度计零偏纳入寻优，以速度误差均方根作为适应值函数。本发明专利技术利用粒子群对捷联惯导的初始姿态进行直接寻优，不需要对系统和观测噪声进行数学建模，避免了建模不准确引起的对准精度下降，提高了对准的快速性和对准的精度。对准的精度。对准的精度。

【技术实现步骤摘要】
捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法、系统及终端


[0001]本专利技术属于惯性导航系统的初始对准
，尤其涉及一种捷联式惯性 导航系统快速初始航向对准方法、系统及终端。

技术介绍

[0002]目前，捷联式惯性导航系统必须依赖初始对准过程才能进入正常工作，原 因在于惯性导航系统从原理上来说是一个积分推算系统，需要对其传感器的输 出进行积分解算，因此在进入积分解算之前需要确定积分初值，即进行初始对 准。初始对准是惯性导航系统正常工作的前提和保障，任何初始对准误差都会 进入积分推算造成后续的系统误差，因此初始对准技术成为了惯性导航技术领 域的重要研究方向。捷联式惯性导航系统的初始对准需要确定运载体初始的位 置、姿态和航向信息，其中初始航向信息最难以获取，因此航向对准是整个对 准过程的关键。
[0003]现有的初始对准技术主要是基于最优估计的卡尔曼滤波(Kalman filter，KF) 初始对准。所谓滤波是指从复杂混合信号中提取出所需的有效信号，而KF是通 过观测有关的外部观测量估计出所需信号。其使用的前提条件是系统的状态方 程与量测方程已知，其中前者描述的是系统激励与系统响应之间的函数关系； 后者描述的是观测量与待估计状态两之间的函数关系。在每一个滤波周期内都 包含状态预测和量测更新两个步骤。状态预测利用历史信息和和上一步的状态 估计对当前状态进行先验估计，量测更新则利用外部量测量与被估状态量之间 的函数关系对状态先验估计进行修正，得到状态估计值。预测代表了过去的经 验信息，而量测代表了即时的参考信息。这两个步骤在状态估计中的权重由滤 波增益来进行调节。
[0004]上述过程在实际应用中存在以下问题或不足：
[0005]1.在进行KF滤波时需要事先得到比较准确的系统噪声和观测噪声统计特 性并对其进行建模，然而任何预设的噪声模型都存在一定的不准确性，这种不 准确性主要是由于以下几个原因造成的：(1)实际系统建模过程中的近似项；(2) 由设备老化、器件功能退化等会造成噪声特性改变；(3)KF需要对外部辅助信 息进行观测，测量设备工作状态的不同、测量环境的改变等因素都会影响观测 噪声特性；(4)系统在运行过程中不可预测的外部干扰也会造成系统状态改变。 上述建模失准会导致滤波结果不稳定甚至发散，导致对准精度变差。
[0006]2.KF初始对准的本质是一个递推运算获取最有估计的过程，因此一般来说 要保证较高的初始对准精度，就必须付出一定的对准时间代价。通常基于KF的 初始对准需要耗费数分钟的对准时间，在对准阶段运载体无法正常执行任务， 制约运载体的出动速度。因此如何在更短时间内获取较高精度的对准结果(快 速初始对准)有待于进一步研究。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0008](1)捷联惯导系统利用KF方法进行初始对准时，需要事先得到准确的滤 波噪声统计特性并对其进行建模，然而任何预设的噪声模型都存在一定的误差， 而这种建模不准会
导致滤波结果不稳定甚至发散，最终导致对准精度变差；
[0009](2)基于KF方法的初始对准过程，对外部测量噪声非常敏感，容易受到 复杂噪声的干扰导致对准结果不可靠；
[0010](3)基于KF的初始对准通常需要耗费较长的运算时间，而在对准阶段运 载体无法正常执行任务，导致运载体的出动速度受到制约；
[0011](4)现有初始对准方案在快速性和精确度上还有较大提升空间，对准速度 慢、对准精度差都会影响惯性导航系统的工作效率和工作性能，提高了惯性导 航系统在应用上的时间和经济成本，影响了其效益的发挥。

技术实现思路

[0012]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种捷联式惯性导航系统快速初 始航向对准方法、系统及终端。
[0013]本专利技术是这样实现的，一种捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法包 括：
[0014]初始化随机粒子变量，设定适应值函数，将粒子位置代入适应值函数得到 适应值，并对比所有粒子的适应值判断粒子位置的优劣；在每次迭代中，所有 粒子的位置根据一定的进化规则，跟踪最优位置，直到迭代达到预设次数；将 PSO方法应用到捷联惯导系统的初始航向对准中，将初始姿态作为粒子群的寻 优目标，同时将加速度计零偏纳入寻优，以速度误差均方根作为适应值函数。
[0015]进一步，所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法包括以下步骤：
[0016]步骤一，在静基座状态下，采集捷联式惯性导航系统中惯性测量元件输出 的原始数据；
[0017]步骤二，利用全球定位系统GPS确定捷联惯导所处初始位置的经度λ、纬 度L；
[0018]步骤三，在可行解空间中初始化N个粒子构成初始种群，随机产生粒子的 位置与速度，其中N≥20；
[0019]步骤四，以捷联惯导输出的速度误差的均方差作为目标函数，依次将每个 粒子的位置代入惯导系统解算方程进行速度解算，以惯导解算的速度误差均方 根作为目标函数计算粒子适应值；
[0020]步骤五，对比粒子适应值，以适应值更小为更优，选取出粒子当前个体最 优值和群体最优值；
[0021]步骤六，更新粒子的位置和速度，返回步骤四进行循环迭代，直到迭代次 数达到G次，此时粒子的群体最优值就是对准结果，其中G≥100。
[0022]进一步，所述步骤一中的惯性测量元件包括陀螺和加速度计；所述惯性测 量元件原始数据的采样时间设定为100s，采样频率设定为1Hz。
[0023]所述步骤三中，第i(i＝1,2,...,N)个粒子的当前位置为x
i
＝[x
i1
,x
i2
]，其中 x
i1
代表惯导航向，x
i2
代表加速度计零偏，粒子飞行速度为v
i
＝[v
i1
,v
i2
]。
[0024]进一步，所述步骤四中，将每个粒子位置中的x
i1
作为航向值、x
i2
作为加速 度计零偏值，代入惯导解算方程，得到惯导解算出的速度v
′
n
(n＝1,2,...,100)； v
′
n
＝[v
′
nE
,v
′
nN
]，其中v
′
nE
、v
′
nN
分别代表惯导解算出来的东向速度与北向速度。
[0025]目标函数设计为：
[0026][0027]其中，计算结果为每个粒子的适应值。
[0028]进一步，所述步骤五中，经过迭代后，设每个粒子当前找到的最优解为 p
i
＝[p
i1
,p
i2
]，种群当前找到的全局最优解为p
g
＝[p
g1
,p
g2
]。
[0029]进一步，所述步骤六中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法包括：初始化随机粒子变量，设定适应值函数，将粒子位置代入适应值函数得到适应值，并对比所有粒子的适应值判断粒子位置的优劣；在每次迭代中，所有粒子的位置根据一定的进化规则，跟踪最优位置，直到迭代达到预设次数；将PSO方法应用到捷联惯导系统的初始航向对准中，将初始姿态作为粒子群的寻优目标，同时将加速度计零偏纳入寻优，以速度误差均方根作为适应值函数。2.如权利要求1所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法包括以下步骤：步骤一，在静基座状态下，采集捷联式惯性导航系统中惯性测量元件输出的原始数据；步骤二，利用全球定位系统GPS确定捷联惯导所处初始位置的经度λ、纬度L；步骤三，在可行解空间中初始化N个粒子构成初始种群，随机产生粒子的位置与速度，其中N≥20；步骤四，以捷联惯导输出的速度误差的均方差作为目标函数，依次将每个粒子的位置代入惯导系统解算方程进行速度解算，以惯导解算的速度误差均方根作为目标函数计算粒子适应值；步骤五，对比粒子适应值，以适应值更小为更优，选取出粒子当前个体最优值和群体最优值；步骤六，更新粒子的位置和速度，返回步骤四进行循环迭代，直到迭代次数达到G次，此时粒子的群体最优值就是对准结果，其中G≥100。3.如权利要求2所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述步骤一中的惯性测量元件包括陀螺和加速度计；所述惯性测量元件原始数据的采样时间设定为100s，采样频率设定为1Hz；所述步骤三中，第i(i＝1,2,...,N)个粒子的当前位置为x
i
＝[x
i1
,x
i2
]，其中x
i1
代表惯导航向，x
i2
代表加速度计零偏，粒子飞行速度为v
i
＝[v
i1
,v
i2
]。4.如权利要求2所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述步骤四中，将每个粒子位置中的x
i1
作为航向值、x
i2
作为加速度计零偏值，代入惯导解算方程，得到惯导解算出的速度v
′
n
(n＝1,2,...,100)；v
′
n
＝[v
′
nE
,v
′
nN
]，其中v
′
nE
、v
′
nN
分别代表惯导解算出来的东向速度与北向速度；目标函数设计为：其中，计算结果为每个粒子的适应值。5.如权利要求2所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述步骤五中，经过迭代后，设每个粒子当前找到的最优解为p
i
＝[p
i1
,p
i2
]，种群当前找到的全局最优解为p
g
＝[p
g1
,p
g2
]。6.如权利要求2所述捷联式惯性导航系统快速初始航向对准方法，其特征在于，所述步骤六中，粒子的位置和速度更新方程为：x
i+1
＝x
i
+v
i
；
v
i+1
＝ωv
i
+c1R1(p
i
‑
x
i
)+c2R2(p
g
‑
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭士荦，常丽敏，李洋，麻忠文，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军航空大学，
类型：发明
国别省市：