一种基于非线性初始对准模型的快速对准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非线性初始对准模型的快速对准方法，主要步骤包括：合理编排捷联惯性导航系统的惯性器件；建立水平姿态角和航向角计算模型；建立非线性初始对准模型；构建用于初始对准的扩展kalman滤波器；由导航计算机，采集惯性器件输出信息，并完成初始对准滤波。本发明专利技术巧妙的冗余编排惯性系统水平方向上的惯性器件，充分利用惯性器件的冗余量测信息，建立的非线性初始对准模型。该模型直接利用惯性器件的量测输出作为观测值，3个失准角作为状态变量，有效的降低了模型的维数和提高了模型系统的可观测度，从而保证了初始对准的精度和速度。本发明专利技术具有实用性好、精度高、对准时间短的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种捷联惯性导航系统静基座下初始对准方法，可用于捷联惯性系统的初始姿态的确定，特别适合于需要快速对准的情况。
技术介绍
捷联惯性导航系统(StrapdownInertial Navigation System 简称 SINS)的基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用加速度计、陀螺仪测量载体惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的运动初始条件下，由计算机进行积分运算，连续、实时地提供位置、速度和姿态信息。根据SINS的基本原理，SINS在导航定位解算之前必须获得初始信息，包括初始位置、速度和姿态。SINS的初始位置和速度信息较初始姿态容易获得， 初始姿态确定的精度就是SINS进入导航工作状态时的初始精度。因此，SINS开始工作时进行快速精确的初始姿态的确定是十分重要的一步。现有的捷联惯导系统初始姿态确定分为粗对准和精对准两个阶段。粗对准阶段就是在静基座条件下，将陀螺仪和加速度计输出直接引入导航计算机，计算出载体的初始姿态。用此方法时，常常忽略陀螺仪和加速度计的误差和外部干扰因素，然而这些因素会导致误差，因此初始姿态计算精度不高。精对准阶段是在粗对准的基础上进行，利用现代控制理论的状态空间法，对陀螺仪和加速度计输出的数据进行处理。计算出导航坐标系与真实导航坐标系的失准角，建立准确的初始姿态矩阵。捷联惯性导航系统要求对准精度高，对准时间短。以速度误差作为观测量的静基座精对准系统的可观测性和可观测度差，是制约其对准精度和快速性的重要原因，特别是方位角的观测度低，导致方位失准角的估计效果很差。关于快速对准，已有的文献的常规思路都是如何提高方位角的可观测度，如增加方位传感器或者多位置对准等。如专利号201010142839. 0的专利技术专利一种基于粒子滤波的惯性导航系统初始对准方法；建立了基于二位置的非线性初始对准模型，该方法需要精密的位置转台，限制了工程应用，同时在对准速度上提高不明显。如专利号 ZL200510130615. 7的专利技术专利一种捷联惯性导航系统的任意双位置初始对准方法；如专利号ZL200810064146. 7的专利技术专利基于滤波的光纤陀螺捷联惯导系统两位置初始对准方法；是在对准过程中利用位置转台进行多位置对准来提高系统的可观性和可观度，虽然这些方法已经不需要难以实现的精密位置转台了，但还是需要在位置转台上进行，限制了工程应用。如专利号200810019357. 9的专利技术专利捷联惯性导航系统的快速精对准方法； 是通过增加磁传感器和倾角传感器来提高捷联惯导系统的可观性，但是该方法利用的方位传感器一般都是地磁传感器，这种地磁传感很容易收外部的干扰，尤其载体是磁导体时，地磁传感很难正常工作，很难实际使用。因此在实际工程应用中，找到一种能够提高惯性导航系统的对准精度和反应能力的方法，对提高整个捷联导航系统的性能具有非常重要的军事意义和实用价值。本专利技术巧妙的冗余编排惯性系统水平方向上的惯性器件，充分利用惯性器件的冗余量测信息，建立的非线性初始对准模型。该模型直接利用惯性器件的量测输出作为观测值，3个失准角作为状态变量，有效的降低了模型的维数和提高了模型系统的可观测度，从而保证了初始对准的精度和速度。该方法是一种实用性好、精度高、对准时间短的精对准方法，国内外还未发现有人提出利用惯性器件的冗余量测信息来建立非线性初始对准模型来实现快速对准。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种精确快速、方便的基于非线性初始对准模型的快速对准方法。该方法可以实现惯性导航系统的快速静基座自主初始对准。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是，包括如下步骤步骤1、将水平方向上的惯性器件正交冗余配置，同一坐标轴的惯性器件的量测轴相位相差180度，即第一陀螺1-1和第一加速度计2-1的量测轴方向为χ轴的正向，第四陀螺1-4和第四加速度2-4的量测轴方向为χ轴的反向，第二陀螺1-2和第二加速度计2-2 的量测轴方向为y轴的正向，第五陀螺1-5和第五加速度2-5的量测轴方向为y轴的反向， 第三陀螺1-3和第三加速度计2-3的量测轴方向为ζ轴的正向；步骤2、根据步骤1中的惯性器件的配置，建立水平姿态角和航向角计算模型； 俯仰角横滚角r = arcsin 权利要求1. ，其特征在于该方法包括下列步骤 步骤1、将水平方向上的惯性器件正交冗余配置，同一坐标轴的惯性器件的量测轴相位相差180度，即第一陀螺(1-1)和第一加速度计的量测轴方向为X轴的正向，第四陀螺(1-4)和第四加速度0-4)的量测轴方向为χ轴的反向，第二陀螺(1-2)和第二加速度计0-2)的量测轴方向为y轴的正向，第五陀螺(1- 和第五加速度0-5)的量测轴方向为y轴的反向，第三陀螺(1-3)和第三加速度计0-3)的量测轴方向为ζ轴的正向； 步骤2、根据步骤1中的惯性器件的配置，建立水平姿态角和航向角计算模型；.θ-，2g桦、六^>. (Λ1 - Λ4) - (vL - ) - - wI)mi^m-2cos6 -g航向角― Η=-2—或者(-2 cos γ \νψ + 2 sin γ ^m6co^)mieconL - 2 sin ^ cos ^ · mie sin L = (ω\ -ω^)-(εΙ -ε^)-(νΙ -v^)，式中/)表示第一加速度计(2-1)在χ轴方向的量测值，表示第四加速度计(2-4)在 χ轴方向的量测值，Vi表示第一加速度计的随机常值，表示第四加速度计0-4)的随机常值，<表示第一加速度计的量测噪声，<表示第四加速度计(2-4)的量测噪声， 2表示第二加速度计(2- 在y轴方向的量测值，5表示第五加速度计(2- 在y轴方向的量测值，^表示第二加速度计0-2)的随机常值，▽丨表示第五加速度计0-5)的随机常值，< 表示第二加速度计0-2)的量测噪声，<表示第五加速度计0-5)的量测噪声，4表示第一陀螺(1-1)在χ轴方向的量测值，<表示第四陀螺(1-4)在χ轴方向的量测值，^表示第一陀螺(1-1)的随机常值，4表示第四陀螺(1-4)的随机常值乂表示第一陀螺(1-1)的量测噪声乂表示第四陀螺(1-4)的量测噪声，<表示第二陀螺(1-2)在y轴方向的量测值，<表示第五陀螺(1- 在y轴方向的量测值，<表示第二陀螺(1- 的随机常值，<表示第五陀螺 (1-5)的随机常值，《表示第二陀螺(1-2)的量测噪声，ν丨表示第五陀螺(1-5)的量测噪声， θ表示俯仰角，Y表示横滚角，Ψ表示航向角，g表示重力矢量，《ie表示地球的自转角速度，L为当地的地理纬度；步骤3、根据步骤2中的3个姿态角的计算模型，可以建立非线性初始对准模型；Ok'η=Yk-X+Ψι _-lZVi--1Vf2 J yk~ fyk_ 2sin6 4-g _[▽ -叫-wIkfxk~ fxk=-2sin^cos6 4-g-V11-V-<~wlk(-2cos;K4siny/4 +Isavyk sinOkcosy/4)aie cosL -2sinykcosOk ■ aie sinL4vIk式中θ k表示k时刻的俯仰角，Y k表示k时刻的横滚角，Ψ k表示k时刻的航向角，w 0 表示俯仰角的微小波动本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于非线性初始对准模型的快速对准方法，其特征在于该方法包括下列步骤：步骤１、将水平方向上的惯性器件正交冗余配置，同一坐标轴的惯性器件的量测轴相位相差１８０度，即第一陀螺（１－１）和第一加速度计（２－１）的量测轴方向为ｘ轴的正向，第四陀螺（１－４）和第四加速度（２－４）的量测轴方向为ｘ轴的反向，第二陀螺（１－２）和第二加速度计（２－２）的量测轴方向为ｙ轴的正向，第五陀螺（１－５）和第五加速度（２－５）的量测轴方向为ｙ轴的反向，第三陀螺（１－３）和第三加速度计（２－３）的量测轴方向为ｚ轴的正向；步骤２、根据步骤１中的惯性器件的配置，建立水平姿态角和航向角计算模型；俯仰角：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆ｔｈｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｉ）ａｒｃｓｉｎ（／ｍｉ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆ｄｔｒｉ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆ｄｔｒｉ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｇ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）横滚角：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆ｇａｍｍａ；（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｉ）ａｒｃｓｉｎ（／ｍｉ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆ｄｔｒｉ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆ｄｔｒｉ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｃｏｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）＆ｔｈｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｇ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）航向角：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆ｐｓｉ；（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｉ）ａｒｃｃｏｓ（／ｍｉ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｅｐｓｉｖ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴晓强，刘维亭，朱志宇，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：32