用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于捷联惯导系统领域，公开了一种用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法及装置，包括计算导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵；构造参考矢量和观测矢量并离散化，通过最优化对准方法计算初始对准起始时刻的常值载体姿态矩阵；构建预测模型和量测模型，基于Huber鲁棒滤波理论构造关于标准化模值平方残差的权值函数来检测和抑制卫星导航系统接收机数据中的野值；最后结合标准化模值平方残差的权值函数和无迹四元数姿态估计器，构建鲁棒无迹四元数姿态估计器，对载体坐标系的变换四元数和陀螺仪零偏进行估计，并对参考矢量进行反馈和计算实时的载体姿态矩阵。提升低精度捷联惯导系统动基座初始对准的收敛速度及最终的对准精度。最终的对准精度。最终的对准精度。

【技术实现步骤摘要】
用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法及装置


[0001]本专利技术属于捷联惯导系统领域，涉及一种用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法及装置。

技术介绍

[0002]捷联惯导系统具有优越的自主性，在军事和民用领域有着广泛的应用。低精度捷联惯导系统，凭借其体积小和低成本的优点，成为了机器人和无人机系统上不可或缺的一部分。
[0003]基于航位推算原理，惯性导航坐标系统在正常运行前必须要进行初始对准。低精度捷联惯导系统的初始对准，通常采用卫星导航系统辅助，并且在动基座上进行。通过采集传感器输出的信息，构造对准矢量，可以将初始对准转化成基于矢量观测器的姿态估计问题，通过最优化对准方法完成姿态的确定。但是，最优化的对准方法未考虑低精度捷联惯导系统的陀螺仪零偏的累积误差，同时卫星导航系统接收机易受外部环境的影响如障碍物和多径效应等，输出有时会出现野值。这些因素导致对准矢量性能下降，影响初始对准的收敛速度和精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中，用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准时，初始对准的收敛速度和精度较低的缺点，提供一种用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法及装置，能够抑制陀螺零偏累积误差，同时也能对卫星导航系统接收机输出中的野值进行检测和剔除，提高了用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准的精度和收敛速度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术第一方面，提供一种用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法，包括：
[0007]S1：根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息求解导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵微分方程，得到导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵；
[0008]S2：根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息、载体坐标系和导航坐标系的变换矩阵，构建动基座的参考矢量和观测矢量；
[0009]S3：基于动基座的参考矢量和观测矢量，通过最优化对准方法求解对准起始时刻的常值载体姿态矩阵；
[0010]S4：定义动基座的参考矢量与观测矢量的模值平方残差，将模值平方残差标准化得到标准化模值平方残差，并通过Huber鲁棒滤波理论构造关于标准化模值平方残差的权值函数；
[0011]S5：以误差广义罗德里格参数和陀螺仪零偏作为状态向量，结合权值函数和预设的无迹四元数姿态估计器，构建鲁棒无迹四元数姿态估计器，并根据预设的预测模型和预
设的量测模型，通过鲁棒无迹四元数姿态估计器估计载体坐标系的变换四元数，得到最优的载体坐标系的变换四元数；
[0012]S6：将最优的载体坐标系的变换四元数转化为最优的载体坐标系的变换矩阵，结合导航坐标系的变换矩阵和最优的载体坐标系的变换矩阵，以及对准起始时刻的常值载体姿态矩阵，得到实时的载体姿态矩阵。
[0013]可选的，所述根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息求解导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵微分方程，得到导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵包括：
[0014]根据卫星导航系统接收机的输出信息，求解导航坐标系的变换矩阵微分方程：
[0015][0016]其中，n表示导航坐标系，i表示惯性坐标系，n(0)表示初始对准开始时刻的导航坐标系，相对于惯性坐标系保持静止，n(t)表示t时刻的导航坐标系，表示从n(0)系转到n(t)系的坐标系变换矩阵，表示的微分，表示导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在导航坐标系下的投影坐标，表示的反对称矩阵；
[0017]得到导航坐标系的变换矩阵：
[0018][0019]其中，t
k
表示从初始对准开始的第k个卫星导航系统数据的采样时刻，t
k
‑1表示从初始对准开始的第k
‑
1个卫星导航系统数据的采样时刻，Δt
g
为两个采样时刻的差值即卫星导航系统数据采样间隔，t
k
‑
t
k
‑1＝Δt
g
；
[0020][0021]其中，I3表示3
×
3的单位矩阵，φ
k
表示导航坐标系在时间(t
k
‑1,t
k
)旋转变化的等效旋转矢量，为在时间(t
k
‑1,t
k
)的积分，通过下式计算得到：
[0022][0023]其中，在时间(t
k
‑1,t
k
)内为常量；
[0024]根据捷联惯导系统的输出信息，求解载体坐标系的变换矩阵微分方程：
[0025][0026]其中，b表示载体坐标系，b(0)表示初始对准开始时刻的载体坐标系，相对于惯性坐标系保持静止，b(t)表示t时刻的载体坐标系，表示从b(0)系转到b(t)系的坐标系变换矩阵，表示的微分，表示陀螺仪的输出，表示的反对称矩阵；
[0027]得到载体坐标系的变换矩阵：
[0028][0029]其中，通过下式得到：
[0030][0031]其中，θ
k
表示载体坐标系在时间(t
k
‑1,t
k
)转动的等效旋转矢量，为时间(t
k
‑1,t
k
)的陀螺仪输出角度增量：
[0032][0033]其中，Δt
s
表示捷联惯导系统的采样间隔，D表示预设的正整数，表示在时间(t
k
‑1,t
k
)内陀螺仪的第l次采样角速度。
[0034]可选的，所述根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息、载体坐标系和导航坐标系的变换矩阵，构建动基座的参考矢量和观测矢量包括：
[0035]由姿态矩阵的链式法则和导航坐标系下的比力方程，得到导航坐标系下载体速度的微分方程：
[0036][0037]其中，v
n
表示导航坐标系下载体的速度矢量，表示v
n
的微分，表示对准起始时刻的常值载体姿态矩阵，f
b
表示加速度计的输出，e表示地球坐标系，表示地球自转角速度在导航坐标系下的投影，表示导航坐标系相对于地球系的角速度在导航坐标系下的投影，g
n
表示重力加速度在导航坐标系下的投影；
[0038]在导航坐标系下载体速度的速度微分方程两边对时间(0,t)积分，再把从积分中提取出来，整理并离散化对准矢量可得：
[0039][0040][0041]其中，t＝t
k
，t
i+1
‑
t
i
＝Δt
g
，Δt
g
是卫星导航系统接收机采样间隔时间，α
ok
是t
k
时刻动基座的参考矢量，β
ok
是t
k
时刻动基座的观测矢量，
[0042]可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法，其特征在于，包括：S1：根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息求解导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵微分方程，得到导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵；S2：根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息、载体坐标系和导航坐标系的变换矩阵，构建动基座的参考矢量和观测矢量；S3：基于动基座的参考矢量和观测矢量，通过最优化对准方法求解对准起始时刻的常值载体姿态矩阵；S4：定义动基座的参考矢量与观测矢量的模值平方残差，将模值平方残差标准化得到标准化模值平方残差，并通过Huber鲁棒滤波理论构造关于标准化模值平方残差的权值函数；S5：以误差广义罗德里格参数和陀螺仪零偏作为状态向量，结合权值函数和预设的无迹四元数姿态估计器，构建鲁棒无迹四元数姿态估计器，并根据预设的预测模型和预设的量测模型，通过鲁棒无迹四元数姿态估计器估计载体坐标系的变换四元数，得到最优的载体坐标系的变换四元数；S6：将最优的载体坐标系的变换四元数转化为最优的载体坐标系的变换矩阵，结合导航坐标系的变换矩阵和最优的载体坐标系的变换矩阵，以及对准起始时刻的常值载体姿态矩阵，得到实时的载体姿态矩阵。2.根据权利要求1所述的用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法，其特征在于，所述根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息求解导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵微分方程，得到导航坐标系和载体坐标系的变换矩阵包括：根据卫星导航系统接收机的输出信息，求解导航坐标系的变换矩阵微分方程：其中，n表示导航坐标系，i表示惯性坐标系，n(0)表示初始对准开始时刻的导航坐标系，相对于惯性坐标系保持静止，n(t)表示t时刻的导航坐标系，表示从n(0)系转到n(t)系的坐标系变换矩阵，表示的微分，表示导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在导航坐标系下的投影坐标，表示的反对称矩阵；得到导航坐标系的变换矩阵：其中，t
k
表示从初始对准开始的第k个卫星导航系统数据的采样时刻，t
k
‑1表示从初始对准开始的第k
‑
1个卫星导航系统数据的采样时刻，Δt
g
为两个采样时刻的差值即卫星导航系统数据采样间隔，t
k
‑
t
k
‑1＝Δt
g
；其中，I3表示3
×
3的单位矩阵，φ
k
表示导航坐标系在时间(t
k
‑1,t
k
)旋转变化的等效旋转矢量，为在时间(t
k
‑1,t
k
)的积分，通过下式计算得到：
其中，在时间(t
k
‑1,t
k
)内为常量；根据捷联惯导系统的输出信息，求解载体坐标系的变换矩阵微分方程：其中，b表示载体坐标系，b(0)表示初始对准开始时刻的载体坐标系，相对于惯性坐标系保持静止，b(t)表示t时刻的载体坐标系，表示从b(0)系转到b(t)系的坐标系变换矩阵，表示的微分，表示陀螺仪的输出，表示的反对称矩阵；得到载体坐标系的变换矩阵：其中，通过下式得到：其中，θ
k
表示载体坐标系在时间(t
k
‑1,t
k
)转动的等效旋转矢量，为时间(t
k
‑1,t
k
)的陀螺仪输出角度增量：其中，Δt
s
表示捷联惯导系统的采样间隔，D表示预设的正整数，表示在时间(t
k
‑1,t
k
)内陀螺仪的第l次采样角速度。3.根据权利要求2所述的用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法，其特征在于，所述根据捷联惯导系统和卫星导航系统接收机的输出信息、载体坐标系和导航坐标系的变换矩阵，构建动基座的参考矢量和观测矢量包括：由姿态矩阵的链式法则和导航坐标系下的比力方程，得到导航坐标系下载体速度的微分方程：其中，v
n
表示导航坐标系下载体的速度矢量，表示v
n
的微分，表示对准起始时刻的常值载体姿态矩阵，f
b
表示加速度计的输出，e表示地球坐标系，表示地球自转角速度在导航坐标系下的投影，表示导航坐标系相对于地球系的角速度在导航坐标系下的投影，g
n
表示重力加速度在导航坐标系下的投影；在导航坐标系下载体速度的速度微分方程两边对时间(0,t)积分，再把从积分中提取出来，整理并离散化对准矢量可得：
其中，t＝t
k
，t
i+1
‑
t
i
＝Δt
g
，Δt
g
是卫星导航系统接收机采样间隔时间，α
ok
是t
k
时刻动基座的参考矢量，β
ok
是t
k
时刻动基座的观测矢量，4.根据权利要求3所述的用于低精度捷联惯导系统的动基座初始对准方法，其特征在于，所述基于动基座的参考矢量和观测矢量，通过最优化对准方法求解对准起始时刻的常值载体姿态矩阵包括：将t
k
时刻动基座的参考矢量α
ok
和观测矢量β
ok
构建如下矩阵：其中，Y
k
表示t
k
时刻的最优化对准姿态确定矩阵，Y
k
‑1表示t
k
‑1时刻的最优化对准姿态确定矩阵，与[α
ok
⊙
]矩阵的表达式如下所示：]矩阵的表达式如下所示：求解Y
k
的最小特征值对应的特征向量，得到最优的对应的四元数，然后通过最优的对应的四元数和姿态矩阵的转化公式，求解对准起始时刻的常值载体姿态矩阵5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张萌，周晓仁，李林，胡建晨，鄢超波，
申请(专利权)人：四川数字经济产业发展研究院，
类型：发明
国别省市：