【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于惯性导航，涉及惯性导航系统阻尼方法，特别涉及一种优化的地球椭球模型下极区最优阻尼方法，适用于舰船的长航时极区航行。
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，以美国、俄罗斯为代表的各个大国加快极地地区的战略布局及考察研究。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、舰船极区航行导航通常要求导航设备具备长航时导航能力，然而惯性导航系统的误差随时间积累，长航时导航必然导致定位精度下降。此外，纯惯性导航系统的水平通道是无阻尼的，系统产生了三种周期性振荡误差，即舒勒振荡、傅科振荡、地球自转周期振荡，在长航时导航中振荡误差严重影响导航定位精度。根据现代控制理论分析，纯惯性导航的系统误差方程极点存在于复平面的虚轴上，为无阻尼振荡系统，需要进行极点配置实现系统阻尼，提高导航精度。
3、传统机械编排在极区会出现计算溢出、失去航向参考等难题，横向坐标系导航方案常被用于解决这极区导航中的难题，然而横向坐标系导航方案无法解决纯惯性导航系统的振荡误差，极地纯惯性导航同样需要系统阻尼。目前，大多横向坐标系阻尼方案的研究采用phi角误差模型并且预设固定的阻尼网络，然而在地球椭球模型的基础上构建系统误差方程使得该方案所涉及的参数误差求解十分繁琐，固定的阻尼网络设计使得该阻尼系统在面临导航系统需求变化时出现系统阻尼超调。
4、本专利技术针对目前存在的问题，面向长航时极区航海导航，必须重点解决：1.优化地球椭球模型
技术实现思路
1、在极区长航时航海导航领域，更高的自主导航精度需要更精准的地球模型和惯性阻尼系统。地球椭球模型致使以phi角误差模型为基础的系统误差参数计算繁琐，系统误差分析难度增大。此外传统阻尼系统常常基于定阻尼网络设计，因此该系统往往不能适应导航需求的变化进而产生超调振荡误差。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极区最优阻尼方法，利用psi角误差模型定义在计算坐标系的特点，简化椭球模型下的系统误差方程；采用现代控制理论对系统状态空间进行分析，配置合适的极点使系统工作在稳定状态，采用卡尔曼最优估计方法实现变阻尼系数，提高系统稳定性。
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极区最优阻尼方法，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)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更新方程、速度更新方程、位置更新方程，具体步骤如下：
20、(4.1)确定横地理坐标系下的姿态更新方程：
21、
22、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；
23、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：
24、
25、
26、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；
27、和具体表示为：
28、
29、
30、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：
31、
32、其中，re表示地球长半轴半径，ρ表示地球的偏心率；
33、确定
34、
35、式中，和分别为横地理坐标系t下载体东向和北向的速度；表示横地理坐标系下载体处的扭曲率，和分别为横地理东向和横地理北向的曲率，具体表示为：
36、
37、
38、
39、(4.2)确定横地理坐标系下的速度vt的更新方程：
40、
41、式中，vt表示横地理坐标系t下的载体速度；fb表示载体坐标系b下表示的比力；gt表示横地理坐标系t下表示的重力矢量；
42、(4.3)确定横地本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种优化的地球椭球模型下极区最优阻尼方法，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极区最优阻尼方法，其特征在于，卡尔曼最优估计对系统的姿态误差、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极区最优阻尼方法，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极区最优阻尼方法，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极区最优阻尼方法，其特征在于，卡尔曼最优估计对系统的姿态误差、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...
【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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