本发明专利技术提供了一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法，本发明专利技术涉及电控罗经初始对准等技术问题，本发明专利技术所提出的方法依据电控罗经中陀螺和加速度的特性，建立电控罗经初始对准的ＵＫＦ非线性误差模型，其具体方法是：电控罗经非线性初始对准模型的建立；电控罗经的ＵＫＦ滤波初始对准，本发明专利技术电控罗经的ＵＫＦ滤波采用间接输出校正滤波器结构，电控罗经中采用的ＵＫＦ最优估计状态方程为ｘ↓［ｋ＋１］＝ｘ↓［ｋ］＋ｇ（ｘ↓［ｋ］）Δｔ＋Ｂω↓［ｋ］，观测噪声方程为ｚ↓［ｋ］＝ｈ（ｘ↓［ｋ］）＋ｖ↓［ｋ］，本发明专利技术能有效解决初始对准中大失准角存在的非线性，从而缩短初始对准时间，使整个系统性能得到提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电控罗经、平台罗经、惯性导航系统等设备(以下统称“陀螺导航设备”)中的初始对准等技术问题，具体是指一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法。
技术介绍
陀螺导航设备在启动进入正常工作前，首先处于准备和初始对准状态。初始对准是建立导航装备所必须的初始条件，如初始位置、初始速度、平台的初始姿态角误差等。舰艇的速度和位置是经过积分计算得到的，这就要给出初始条件Vx0、Vy0、、λ0。因为在码头启动，初始Vx0、Vy0为零，、λ0可以有已知测量点给出，或者用无线电定位仪等给出，但精度要满足要求应在几十米之内。初始对准可以利用陀螺导航设备本身惯性元件敏感失调角信号对系统进行校准，设计一个合理的初始对准方案，尽量减小误差满足使用要求是十分必要的。对准精度和对准的时间是进行初始对准时的两项重要技术指标。初始对准精度影响惯导系统的性能，初始对准时间标志着快速反应能力，因此要求初始对准精度高、对准时间短，即精而快。为了达到这一要求，要有符合实际系统的初始对准误差模型和相应的初始对准滤波估计方法。实际系统总是存在不同程度的非线性，有些系统可以近似看成线性系统，但大多数系统则不能仅用线性微分方程描述，其中的非线性因数不能忽略，或为了更好地分析综合结果，必须应用反映实际系统的非线性数学模型，对随机非线性系统滤波问题应运而生。-->实际陀螺导航设备中不可避免地存在大量的随机噪声，频域内的高通、低通、带通等传统滤波方法对此无能为力。后来学者提出了通过计算功率谱来消除随机噪声的维纳滤波方法。虽然维纳滤波方法对随机白噪声有效，但是该方法的计算量大，对稍复杂的系统无法实时适用。1960年，卡尔曼提出了以状态空间法和矩阵运算为基础的卡尔曼滤波算法，它为时域递推最优滤波提供了强有力的工具，它采用时域递推算法，不须存储时间过程中的量测量，因而卡尔曼滤波在导航、通讯、遥感等各个领域得到广泛应用。但是卡尔曼滤波只能处理线性系统。为解决工程实际中的非线性问题，后来学者又提出了改进的卡尔曼滤波算法EKF(Extended KalmanFilter扩展卡尔曼滤波)，但还是存在不足。到目前为止，虽然对EKF有众多的改进方法，如高阶截断EKF，迭代EKF等。但是，EKF的线性化误差降低了模型的准确性，随时间的延长，精度难以保证，有时甚至发散，这些缺陷仍然难以克服，所以各国导航界专家一直在努力研究新的更有效的非线性降噪处理方法。为此，利用基于统计非线性变换的UKF方法，为解决导航领域非线性问题开辟新的技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述背景的不足，提出一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法，以达到提高初始对准精度和快速对准时间的实际操作效果。针对上述目的，本专利技术所提出的方法依据电控罗经中陀螺和加速度的特性，建立电控罗经初始对准的UKF非线性误差模型，有效地得到系统随机噪声的最优估计，保证补偿的精度，缩短启动时间，其具体方法是：1)电控罗经非线性初始对准模型的建立-->电控罗经采用固定指北式惯导机械编排。完整的误差模型，要考虑陀螺的误差模型和加速度误差模型。陀螺误差包含有三个轴上的刻度因子误差、三个轴上的未对准误差；同样加速度计误差中含有三个轴上的刻度因子误差和三个失准误差。惯性导航系统误差一般有：3个平台失准角(α，β，γ)；3个速度误差(δVx，δVy，δVz)；经度、纬度、高度3个位置误差；考虑陀螺、加速度计诸误差模型因子可达21维状态变量。21维误差状态对于电控罗经来说，在计算速度和复杂度上都不允许。专利技术人经过降维处理，由21维降到15维，这样滤波计算时间可减小40％以上，而精度性能却相当。所以，有必要对电控罗经的误差模型进行简化处理。因电控罗经是船用设备，垂直向的加速度、速度、高度都可以忽略，只需计算东向和北向加速度误差，三维的速度及位置也简化成二维平面。初始对准时间不长，陀螺误差和东北向加速度都简化为随机的白噪声。据上述，电控罗经的误差状态定义为一个5维的向量：x＝[α β γ δVx δVy]T。根据电控罗经中机械结构编排，可得到系统对准的α、β、γ、δVx、δVy非线性误差模型：α·=-wiesinγcosφ+βwiesinφ-δVx/Re+ϵx+wxβ·=(1-cosγ)wiecosφ-αwiesinφ+δVx/Re+ϵy+wyγ·=(-βsinγ+αcosγ)wiecosφ+tanφδVx/Re+ϵz+wzδV·x=-(cosγ-1)ax+aysinγ-g(βcosγ+αsinγ)+2wieδVysinφ+▿y+wδVxδV·y=-sinγax+(cosγ-1)ay+g(-βsinγ+αcosγ)-2wieδVxsinφ+▿x+wδVy---(1)]]>将上式改写为如下形式：X·=g(x)+Bω---(2)]]>式中：x＝[α β γ δVxδVy]T，w＝[wx wy wz wδVx wδVy]T是陀螺和加速度计的随机白噪声；B＝I5×5；其中Re是地球半径；ωie是地球转动角速度；α、β、γ-->是平台误差角在导航坐标系三个轴上的投影；δVx、δVy分别是纬度和东北向速度误差；εx、εy、εz是陀螺常值误差在当地地理坐标系oxyz中的投影，是水平加速度计常值偏置。g(·)是非线性的，对其进行离散化，设采样间隔为Δt，将X(t+Δt)在X(t)处进行泰勒展开，得到：X(t+Δt)=X(t)+g(x)Δt+∂g(x)∂xg(x)(Δt)22+...+Bω(t)---(3)]]>令X(t+Δt)＝xk+1，X(t)＝xk，ω(t)＝ωk。根据精度要求，忽略展开级数的二阶及二阶以上的小量，得到系统的离散方程为：xk+1＝xk+g(xk)Δt+Bωk (4)式(4)为电控罗经非线性初始对准模型。2)电控罗经的UKF滤波初始对准●状态方程：电控罗经的UKF滤波采用间接输出校正滤波器结构，其结构图如图4。电控罗经中采用的UKF最优估计状态方程为前面提到的电控罗经的降阶误差模型，见公式(4)。●误差观测方程由于地磁场极易受到周围铁磁物对地磁场干扰，从而磁传感器会产生较大误差，所以精度不高；而磁传感器的地磁观测是也是一种自主观测，对外信息依赖少，同时也不需要进行对外进行任何通信交互，因而近年来在导航系统的组合中也得到广泛应用。在所讨论的罗经内，我们加装了与磁传感器测量装置，能观测到的量有航向和纵横摇本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法，其特征在于包括以下步骤： １）电控罗经非线性初始对准模型的建立； ２）电控罗经的ＵＫＦ滤波初始对准。
【技术特征摘要】
1.一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法，其特征在于包括以下步骤：1)电控罗经非线性初始对准模型的建立；2)电控罗经的UKF滤波初始对准。2.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的电控罗经初始对准方法，其特征是：所述的电控罗经非线性误差模型的建立方法如下：电控罗经采用固定指北式惯导机械编排，得到包括陀螺误差、加速度计误差、平台失准角、速度误差、位置误差诸因子的21维状态变量的误差模型，然后进行降维处理至15维，取α、β、γ、δVx、δVy作为误差状态变量，得到系统对准的非线性误差模型如下：α·=-wiesinγcosφ+βwiesinφ-δVx/Re+ϵx+wxβ·=(1-cosγ)wiecosφ-αwiesinφ+δVx/Re+ϵy+wyγ·=(-βsinγ+αcosγ)wiecosφ+tanφδVx/Re+ϵz+wzδV·x=-(cosγ-1)ax+aysinγ-g(βcosγ+αsinγ)+2wieδVysinφ+▿y+wδVxδV·y=-sinγax+(cosγ-1)ay+g(-βsinγ+αcosγ)-2wieδVxsinφ+▿x+wδVy---(1)]]>将上式改写为如下形式：X·=g(X)+Bω---(2)]]>式中：x＝[α β γ δVx δVy]T，w＝[wxwywzwδVxwδVy]T是陀螺和加速度计的随机白噪声；B＝I5×5；其中Re是地球半径；ωie是地球转动角速度；α、β、γ是平台误差角在导航坐标系三个轴上的投影；δVx、δVy分别是纬度和东北向速度误差；εx、εy、εz是陀螺常值误差在...
【专利技术属性】
技术研发人员：许江宁，徐金华，刘强，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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