【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于导航，涉及一种高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法。
技术介绍
1、高速高旋刚体的高精度姿态解算
技术介绍
主要包括四元数姿态更新算法、捷联惯导系统组合导航方法以及卡尔曼滤波等导航相关技术。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，以抑制对系统姿态测量精度的影响。
2、本专利技术一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，以四元数微分方程的毕卡级数解为基础，迭代计算得到四元数微分方程的精确数值解，从原理上消除算法误差，最终实现高精度姿态更新与智能实时解算；
3、记则四元数微分方程为
4、
5、其毕卡级数解则可改写为
6、
7、式中：
8、
9、假设在[0,t]时段内，角速度为关于时间t的一次函数，则有
10、ω(t)＝a+bt (0≤t≤t)
11、可对单重积分项进行求解，求解结果为：
12、
13、同理，可对双重积分项进行求解，
14、
15、由上述推导过程可知，高一阶多重积分的系数是低一阶多重积分系数与角速度系数的卷积，从而可以递推计算得到其他的多重积分项，最终求得所有积分项，实现四元数微分方程的精确求解；
16、
17、假设角速度为关于时间的一次函数，则上式中n＝2；同理，如果假设角速度为二次函数，则n＝3；同时，对于各项的系数矩阵，
18、
19、式中：[wx wy wz]表示三轴角速度的多项式系数。
20、进一步地，为适应弹体高速自旋而提高姿态更新算法的更新频率，采用一种多子样的高精度姿态滑动更新算法，具体的算法流程如下所示：
21、a.初始对准后，获得初始姿态四元数，记为q0；
22、b.陀螺仪采样，记录最初5个采样时刻角速度，但不进行姿态更新；
23、c.在第6个采样时刻，根据采集记录的6组陀螺仪角增量，采用六子样的四元数更新算法，以q0为初始姿态，计算获得第6时刻的姿态四元数，记为q6；
24、d.在第7、第8和第9个采样时刻，重复上一步骤，分别运行七子样的四元数更新算法、八子样的四元数更新算法和九子样的四元数更新算法，得到第7、第8和第9时刻的姿态四元数，分别记为q7，q8，q9；
25、
26、式中：δq为利用多子样算法求得的姿态变化四元数；
27、e.从第10时刻开始，利用第7、第8、第9和第10时刻的陀螺仪采样数据，以q6为初始姿态，采用四子样的四元数更新算法进行姿态更新；
28、根据上述步骤，在每个采样时刻，以四子样的算法精度进行姿态四元数的求解；同时，由于初始时刻均是采用高子样算法获得的姿态信息，因此，四子样的高精度姿态滑动更新算法的原理误差要小于单纯的四子样更新算法。
29、进一步地，基于弹尾传感器偏置的高动态环境下动态误差建模与补偿包括：
30、首先构建姿态解算所需的坐标系，为了描述弹箭质心的位置，建立了基准坐标系；为了描述弹箭速度的方向，建立了弹道坐标系；为了描述弹轴的方向，建立了弹轴坐标系；为了描述弹体和船尾沿弹轴旋转的角度，分别建立了弹前体坐标系和船尾坐标系；为了描述弹轴绕速度轴的摆动运动，建立了第二弹轴坐标系；各坐标系的定义以及相互关系如下：
31、1)基准坐标系oxyz：基准坐标系为一平动坐标系，其各坐标轴与地面坐标系相应的坐标轴平行且方向相同，原点o为弹丸的质心，且各坐标轴的方向相对于地面始终保持不变；基准坐标系在点oe处与地面坐标系完全重合；基准坐标系是分析弹丸速度和弹轴方向的参考基准；
32、2)弹道坐标系ox2y2z2：原点o为弹丸的质心，ox2轴与弹丸质心的速度方向一致，指向飞行方向为正；oy2轴位于包含速度矢量的铅垂平面内，与ox2轴垂直且向上为正；oz2轴按右手法则确定；
33、弹道坐标系由基准坐标系经两次旋转而来：第一次是oxyz绕oz轴正向右旋ψa角度，第二次绕oy轴负向右旋ψd角到达ox2y2z2位置；由于弹道坐标系的ox2轴与弹丸速度方向一致，所以该坐标系可以用于描述弹丸速度方向，故定义ψa为速度高低角，ψd为速度方位角；
34、3)弹轴坐标系oξηζ：原点o为弹丸的质心，oξ轴沿弹轴方向，由弹尾指向弹头方向为正；oη轴在铅垂面内垂直于oξ轴向上为正；oζ轴按右手法则确定；
35、弹轴坐标系由基准坐标系经两次旋转而来：第一次是oxyz绕oz轴正向右旋角度，第二次绕oy轴负向右旋角到达oξηζ位置；由于弹轴坐标系的oξ轴与弹轴方向一致，所以该坐标系可以用于描述弹丸弹轴的方向，故定义为弹轴高低角，为弹轴方位角；
36、4)弹前体坐标系otx1ty1tz1t：原点ob为弹前体的质心，obx1b轴与弹轴一致，由弹尾指向弹头方向为正；oby1b轴和obz1b轴在过弹前体质心且垂直于弹轴的赤道面内，并固连在弹前体上与弹前体一同绕oξ轴旋转；因此弹前体坐标系可用于表示弹前体转过的角度γb；
37、5)船尾坐标系otx1ty1tz1t：原点ot为船尾的质心，otx1t轴与弹轴一致，由弹尾指向弹头方向为正；oty1t轴和otz1t轴在过船尾质心且垂直于弹轴的赤道面内，并固连在船尾上与船尾一同绕oξ轴旋转；因此船尾坐标系可用于表示船尾转过的角度γt；
38、微机电惯性测量装置，安装在船尾侧方，与船尾坐标系固连，若将测量点姿态信息转换到控制点需要进行姿态转移矩阵的传递；下面根据各个坐标系之间的关系，给出坐标系之间的坐标转换矩阵；
39、1)基准坐标系与弹道坐标系之间的转换关系
40、基准坐标系与弹道坐标系之间的关系由速度高低角ψa，速度方位角ψd两个角度来确定；基准坐标系向弹道坐标系转换的转换矩阵l(ψa,ψd)为
41、
42、2)基准坐标系与弹轴坐标系之间的转换关系
43、基准坐标系与弹轴坐标系之间的关系由弹轴高低角弹轴方位角两个角度来确定；基准坐标系向弹轴坐标系转换的转换矩阵为
44、
45、3)弹前体坐标系、船尾坐标系与弹轴坐标系之间的转换关系
46、弹前体坐标系、船尾坐标系与弹轴坐标系之间的关系分别可由滚转角γt和γb确定；因此，弹前体坐标系和船尾坐标系向弹轴坐标系的坐标转换矩阵为
47、
48、根据以上关系推导，弹尾传感器偏置安装与船尾坐标系固连，经过动态补偿后，可用于表示船尾的姿态特性。
49、进一步地，针对制导弹药飞行动态大，载体在空中运动时存在多自由度的耦合特性，采用高频采样技术降低载体转动时不可交换误差的影响，并进行载体尺寸效应、旋转误差补偿、圆锥误差补偿及划船误差补偿；
50、高速高旋弹在高速飞行过程中，绕x轴高速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，以四元数微分方程的毕卡级数解为基础，迭代计算得到四元数微分方程的精确数值解，从原理上消除算法误差，最终实现高精度姿态更新与智能实时解算；
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，为适应弹体高速自旋而提高姿态更新算法的更新频率，采用一种多子样的高精度姿态滑动更新算法，具体的算法流程如下所示：
3.根据权利要求1所述的一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，基于弹尾传感器偏置的高动态环境下动态误差建模与补偿包括：
4.根据权利要求1所述的一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，针对制导弹药飞行动态大，载体在空中运动时存在多自由度的耦合特性，采用高频采样技术降低载体转动时不可交换误差的影响，并进行载体尺寸效应、旋转误差补偿、圆锥误差补偿及划船误差补偿；
【技术特征摘要】
1.一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，以四元数微分方程的毕卡级数解为基础，迭代计算得到四元数微分方程的精确数值解，从原理上消除算法误差，最终实现高精度姿态更新与智能实时解算；
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速高旋刚体的高精度姿态实时解算方法，其特征在于，为适应弹体高速自旋而提高姿态更新算法的更新频率，采用一种多子样的高精度姿态滑动更新算法，具体的算法流程如下所示：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：裴新凯，焦浩，贾凌杰，王媛媛，祝敏，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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