【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于惯性导航，涉及惯性/测速仪组合导航方法，特别涉及一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，适用于舰船的极区导航航行。
技术介绍
1、极地地区尤其是北极地区在资源、科研、航道等方面具有重要战略价值。由于惯性导航拥有极好的自主性，并且不受极地地区恶劣环境的影响，因此惯性导航已经成为极区重要的导航手段。
2、传统的惯性导航编排方案常用于中低纬度地区，然而随着纬度增加，该方案出现计算溢出，同时经线收敛速度增加，失去航向参考，因此传统惯性导航编排方案难以适用于极区，无法提供准确的位置和方位。针对这一问题，对比文件(charlesbroxmeyer.inertial navigation systems.new york:mcgraw-hill book company,1964.)提出了横坐标系统及其相应的导航方法，该方法通过重新定义新的坐标系统避免传统惯性导航编排方案在极区存在的问题。
3、目前基于phi角误差模型的横坐标系极区导航方法所涉及的参数耦合了许多变量，由于phi角误差模型定义在真实坐标系下，在真实坐标系下各类导航参数相对于系统是未知的，因此当涉及到微分求解时，各类未知量相互耦合形成极其复杂的微分方程，特别在极地组合导航应用中所涉及的系统参数微扰极其复杂不利于系统误差分析，增大了导航计算量。为了保持系统简洁，多采用地球圆球模型构建简洁的惯性导航编排方案。然而地球是一个椭球体，相应的简化方案必然给惯性导航系统带来近似误差，尤其是系统长时间工作在极区时，这种误差更加不能忽略，将会显著降低导
4、本专利技术针对目前存在的问题，面向长航时极区航海应用，提出一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，以psi角误差模型为基础，建立了椭球模型下横坐标系解算方案；针对组合导航系统，构建了更为简洁惯性/测速仪组合导航模型。本专利技术采用psi角误差模型对椭球模型下横坐标系解算方法进行优化，避免系统各类参数之间的耦合，极大的减轻系统运算量，减少简化导致的近似误差，提高长航时导航精度，对组合导航系统误差分析及滤波器构建具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、现有基于phi角误差模型的极区导航方案为了保持惯性导航编排方案的简洁性，多采用了地球圆球模型，因此牺牲了导航精度，存在近似误差，无法满足长航时航海导航系统对精度的要求。如果基于地球椭球模型编排方案，并且采用横向坐标系导航在极区工作，极区惯性导航编排方案冗长且复杂，特别是在极区组合导航方法中涉及到导航误差状态方程时，各种参数相互耦合导致极其复杂、繁琐的参数计算，给系统误差分析带来极大困难。本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，采用psi角误差模型解决极区组合导航过程中系统模型精度与简洁性之间的冲突，在采用椭球模型提高长航时精度的同时可以极大地优化系统模型，使系统复杂度和运算负担降低，方便系统误差分析。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提出的解决方案为：
3、一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，所述方法包括以下步骤：
4、(1)定义横地球坐标系，定义横向极点，定义横向经度和横向纬度，确定横向位置表示方式：所述横地球坐标系e′的原点位于地心，x轴沿着地球自转轴指向北极，y轴指向本初子午线与赤道的交点，z轴穿过东经90°子午线与赤道的交点；定义(0°,90°e)为横向北极点、(0°,90°w)为横向南极点；定义0°经线和180°经线组成的大椭圆为横向赤道；定义90°e和90°w北半球部分组成的半个大椭圆为0°横经线，且横向本初子午线为地理经度90°e所在的子午圈的北半球部分，横向子午线为过横向极点的平面与地球表面相交的轮廓线；定义地球表面上一点的地理法线与横向赤道面交角为该点的横向纬度；定义该点所在的横向子午面与横向本初子午面的交角为横向经度；根据构建的横经纬网络，将舰船在横地球坐标系中位置表示为(lt，λt，h)，其中，lt表示横纬度，λt表示横经度，h表示高度；
5、(2)定义横地理坐标系：横地理坐标系t的原点位于载体中心，y轴沿横向经线的切线指向横向北极点，z轴垂直于当地水平面指向天向，x轴与y轴和z轴构成右手坐标系，且为“横东-横北-天向”定义；
6、(3)确定坐标系之间的转换关系，步骤如下：
7、根据所述步骤(1)中横地球坐标系定义，确定地球坐标系e到横地球坐标系e′的方向余弦矩阵为：
8、
9、确定地球坐标系e到地理坐标系g的方向余弦矩阵为：
10、
11、其中l表示舰船所处的纬度，λ表示舰船所处的经度；
12、确定横地球坐标系e′到横地理坐标系t的方向余弦矩阵
13、
14、根据链式法则，确定地理坐标系g到横地理坐标系t的方向余弦矩阵
15、
16、式中表示为方向余弦矩阵的转置；σ表示横地理坐标系t与地理坐标系g之间的夹角，具体表示为：
17、
18、
19、(4)确定横向经纬度与地理经纬度的转换关系：
20、由地理经纬度转换至横向经纬度的关系为：
21、
22、由横向经纬度转换至地理经纬度的关系为：
23、
24、(5)利用惯性导航获得载体姿态、速度、位置相关信息，确定横地理坐标系下的姿态微分方程、速度微分方程、位置微分方程，具体步骤如下：
25、(5.1)确定横地理坐标系下的姿态微分方程：
26、
27、式中，表示从载体坐标系b到横地理坐标系t的方向余弦矩阵；表示载体坐标系b相对于惯性坐标系i的旋转角速度在载体坐标系b下的投影；表示横地理坐标系t相对于惯性坐标系i的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影；
28、其中，表示地球坐标系e相对于惯性坐标系i的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影，表示横地理坐标系t相对于地球坐标系e的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影，具体表示为：
29、
30、
31、其中，表示地球自转角速度在地球坐标系e下的投影，ωie表示地球自转角速度的大小；表示从地球坐标系e到横地理坐标系t的方向余弦矩阵；表示地理坐标系g相对于地球坐标系e的旋转角速度在地理坐标系g下的投影；表示横地理坐标系t相对于地理坐标系g的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影；
32、和具体表示为：
33、
34、
35、其中，和分别表示地理坐标系下载体的北向速度和东向速度；rm表示载体处的子午圈半径，rn表示载体处的卯酉圈半径，具体表示为：
36、
37、其中，re表示地球长半轴半径，ρ表示地球的偏心率；
38、确定
39、
40、式中，和分别为横地理坐标系t下载体东向和北向的速度；表示横地理本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，其特征在于，组合导航滤波器对系统姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺和加速度计零偏采用闭环反馈，测速仪标度因数误差和安装误差采用开环反馈，且每次闭环反馈的系统误差状态校正后置0。
3.如权利要求1所述的一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，其特征在于，若载体接收到其他传感器的位置信息，基于接收到的位置信息对转换关系或进行修正更新。
【技术特征摘要】
1.一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法，其特征在于，组合导航滤波器对系统姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺和加速度计零偏采用闭环反馈，测...
【专利技术属性】
技术研发人员：王林，郭鸿刚，廖志坤，梁钟泓，牟鹏程，王元涵，陈宏翔，郝艳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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