基于卫星定位的ＳＩＮＳ动基座传递对准方法技术

一种基于卫星定位的ＳＩＮＳ动基座传递对准方法，其包括以下步骤：（１）设置ＧＰＳ双天线基线矢量方向与ＳＩＮＳ航向方向一致，其中一个天线位于载体上，另一天线位于ＳＩＮＳ所在的子载体上，利用ＧＰＳ双天线多普勒观测方程建立ＳＩＮＳ动基座对准方法的观测方程，并将ＧＰＳ接收机解算得到的位置、速度信息作为ＳＩＮＳ初始状态的位置、速度；（２）建立ＳＩＮＳ的姿态误差方程和速度误差方程，作为对准方法的误差状态方程；（３）采用卡尔曼滤波器进行姿态误差和速度误差估计；（４）对于ＳＩＮＳ进行姿态与速度的反馈校正，由ＳＩＮＳ向用户输出载体的姿态、速度信息。本发明专利技术具有处理速度快、精度高、计算量小、容错性强且不受载体挠曲变形影响等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到捷联惯性导航系统领域，特指一种捷联惯性导航系统中动基座的对准方法。
技术介绍
捷联惯性导航系统(Str即down Inertial Navigation System, SINS)是依据牛顿 定律构成的感知运动载体线运动和角运动、计算载体位置、速度、姿态的装置，具有自主、隐 蔽、信号实时、连续、不受干扰，无时间、地点、环境限制的特点，在自主导航定位系统中具有 不可替代的作用，因而其广泛应用于航天、航空、航海等领域。初始对准是一个确定捷联惯 性导航系统载体坐标系相对于某个参考坐标系姿态关系的过程，而传递对准指在运动平台 上利用较高精度的捷联惯性导航系统(称为主惯导)信息实现较低精度的捷联惯性导航系 统(称为子惯导)初始对准的过程。传递对准作为低精度捷联惯性导航系统工作中的一个 重要步骤，其精度和时间直接制约低精度捷联惯性导航系统的性能，因此也对整个系统的 综合导航性能有着重要影响。 对于动基座传递对准问题的研究，传统上主要还是集中在基于主、子惯导间的传 递对准研究。自20世纪80年代中期以来，研究人员努力寻求快速传递匹配法。1989年， Kain J E和Cloutier J R将传统的速度匹配法加以改造，提出了速度加姿态的匹配法，为 低精度SINS的应用进一步扫清了技术上的障碍，使传递对准时间縮短到10s，而姿态精度 可达到lmrad以下。此后，快速传递对准技术进入实际的应用阶段，而且精度和快速性也有 一些改进。 由于主、子惯导通常不能安装在同一位置，因此对主、子惯导间的动态挠曲变形的 研究，一直是一个传统主、子惯导间传递对准方法需要解决的主要问题，这也成为进一步提 高传统主、子惯导间传递对准方法精度的主要障碍。为此许多研究人员进行了大量的研究。 而基于卫星定位技术的传递对准方法，由于可以将GPS(Global Positioning System)接收 机天线安装于子惯导上，接收机与子惯导的运动模态完全一致，因此可以完全避免传统主、 子惯导间传递对准对动态挠曲变形的研究，这对于提高传递对准精度，降低滤波器设计复 杂度、降低系统计算量等均具有重要意义。Kim J等人首先研宄了基于GPS载波相位技术的 SINS静对准，Park JG研究了基于GPS双差载波相位和双差载波相位率的SINS传递对准技 术，并进一步研究了 SDINS/GPS传递对准的可观性，在此基础上，进一步发展了 GPS双差载 波相位率辅助的SINS传递对准技术，并进行了仿真和车载试验。研究成果表明，采用卫星 定位技术，可以快速实现对低精度捷联惯性导航系统的快速传递对准。然而，采用已有研究 成果中以载波相位和载波相位差分为观测量，需要进行整周模糊度求解和周跳修复，增加 了系统实现的复杂性，对于SINS的快速对准带来不利影响。 总而言之，目前基于GPS定位技术的SINS动基座传递对准方法存在计算量大、对 准时间较长、复杂性高、可用性较差等不足，难以满足航天、航空、航海日益迫切的高精度、 快速传递对准要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一 种处理速度快、精度高、计算量小、容错性强且不受载体挠曲变形影响的基于卫星定位的 SINS动基座传递对准方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的解决方案为 —种基于卫星定位的SINS动基座传递对准方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、设置GPS双天线基线矢量方向与SINS航向方向一致，其中一个天线位于载体 上，另一天线位于SINS所在的子载体上，利用GPS双天线多普勒观测方程建立SINS动基座 对准方法的观测方程，并将GPS接收机解算得到的位置、速度信息作为SINS初始状态的位 置、速度； (2)、建立SINS的姿态误差方程和速度误差方程，作为对准方法的误差状态方程；(3) 、采用卡尔曼滤波器进行姿态误差和速度误差估计；(4) 、对于SINS进行姿态与速度的反馈校正，由SINS向用户输出载体的姿态、速度 信息。 作为本专利技术的进一步改进所述步骤(2)中的误差状态方程为]UFX + GW，其中， F =尸xo3x3-《x-c:o3x3o3x3o3x3o3x3o3x3为系统矩阵， G =勺x3、3乂3x3勺x303x303x3为噪声系数矩阵， w = T为加速度计噪声wa与陀螺噪声wg组成的向量，c;n为从载体坐标系b至导航坐标系n的方向余弦阵，误差状态矢量为X二 T ;其中，S V为SINS 的失准角矢量，ba为三个轴的加速度计零偏，bg为三个轴的陀螺零漂。 所述步骤(1)中的观测方程为Z = HX+《 其中， Hh(')c:0，勺x3。Mh(')c:( :)xKx戶03x3003x3 rfix(h、"C:C 。3x3('),为测量系数矩阵，l为领量噪声向量，h(i)为第i颗可见卫星到接收机的单位视线矢量，(^" =q1 ， I为3X3 单位矩阵，rb为两个接收机天线在载体坐标系b上的安装关系向量，观测矢量为Z = ;其中，S V为SINS的速度误差矢量，SV^为子载体SINS相对于载体的速度误差矢 所述步骤(3)的卡尔曼滤波器为线性卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、UKF滤波 器或者UPF滤波器。 所述步骤(4)的反馈校正公式为 姿态角对应的方向余弦阵修正为q^d;"，其中，Su;X为失准角矢量的反对称矩阵，々为修正前的方向余弦阵，c;n为修正后的方向余弦阵； 速度修正为V:々-SV ，其中，々为修正前的速度矢量，V为修正后的速度矢量。 与现有技术相比，本专利技术的优点就在于 (1)本专利技术利用GPS双天线基线矢量得到的多普勒频移差分观测量，建立关于速 度矢量的观测方程，结合SINS姿态角、速度误差方程，采用卡尔曼滤波进行速度匹配对准。 该方法避免了采用GPS载波相位需要求解整周模糊度的难点，同时GPS双天线基线能够实 时测量载体动态绕曲变形，从而使SINS传递对准过程中不受绕曲变形的影响，并且具有高 精度、快速、计算量小的优点。 (2)本专利技术由于使用GPS双天线基线能够实时测量载体的动态绕曲变形，不需要 对于动态绕曲变形进行建模，从而使SINS传递对准过程中不受载体绕曲变形的影响，因此 提高了 SINS的对准精度。 (3)本专利技术采用GPS双天线基线矢量的多普勒频移差分观测量，能够避免求解载 波相位的整周模糊度，具有计算简单、容易实现、容错性强的优势。 (4)本专利技术基于卫星定位的SINS动基座传递对准方法，该方法有效解决了动态条 件下载体绕曲运动带来SINS对准误差较大的问题，具有SINS对准时间短、精度高和容错能 力强的优点，对于航空、航天、航海、陆基等运动条件下的SINS快速传递对准技术具有广阔 的应用前景。附图说明 图1是本专利技术对准方法的流程示意图； 图2是本专利技术对准方法在应用实例中的流程示意图。具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。 如图1和图2所示，本专利技术基于卫星定位的SINS动基座传递对准方法，具体流程 如下 (1)设置GPS双天线基线矢量方向与SINS航向方向一致，其中一个天线位于载体 上，另一天线位于SINS所在的子载体上，利用GPS双天线多普勒观测方程建立SINS动基座 对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于卫星定位的ＳＩＮＳ动基座传递对准方法，其特征在于包括以下步骤：（１）、设置ＧＰＳ双天线基线矢量方向与ＳＩＮＳ航向方向一致，其中一个天线位于载体上，另一天线位于ＳＩＮＳ所在的子载体上，利用ＧＰＳ双天线多普勒观测方程建立ＳＩＮＳ动基座对准方法的观测方程，并将ＧＰＳ接收机解算得到的位置、速度信息作为ＳＩＮＳ初始状态的位置、速度；（２）、建立ＳＩＮＳ的姿态误差方程和速度误差方程，作为对准方法的误差状态方程；（３）、采用卡尔曼滤波器进行姿态误差和速度误差估计；（４）、对于ＳＩＮＳ进行姿态与速度的反馈校正，由ＳＩＮＳ向用户输出载体的姿态、速度信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，何晓峰，唐康华，潘献飞，张开东，庹洲慧，江明明，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]