一种基于超球体采样的初始对准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超球体采样的初始对准方法，包括以下几个步骤：步骤一，建立SINS静基座初始对准的非线性状态方程；步骤二，建立基于超球体采样的强跟踪无迹滤波方法，得到状态变量估计值；步骤三，由导航计算机，采集轨迹发生器的惯性器件输出信息，并完成对准过程。本发明专利技术利用超球体的采样策略，减少了采样点的数量，降低了计算量，减少了采样部分的时间；本发明专利技术将强跟踪滤波与UKF相结合应用到捷联惯导静基座初始对准中，解决系统以及噪声不确定性所带来的滤波精度下降的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于导航

技术介绍
初始对准是实现惯性导航高精度的一项关键技术，初始对准的精度直接影响着惯导系统的精度，对准时间也是反映武器系统快速反应能力的重要战术指标。传统的初始对准是基于线性初始对准误差方程，引入外界的测量信息，利用卡尔曼滤波算法对姿态误差角进行估计的。由于初始对准是个实际的问题决定了在实际操作中的困难。如(1)实际初始对准过程是个非线性过程，相应的误差方程也应为非线性模型，其线性模型是在误差角为小量的前提下对非线性模型进行线性化得到的，当姿态失准角变大时，将导致线性模型不再适用，导致滤波估计精度下降。(2)在实际应用中当在不精确或错误的噪声统计情况下，卡尔曼滤波的稳定性下降，收敛速度变慢，甚至导致滤波发散，这时针对非线性模型就需要设计跟踪能力更强的滤波算法。(3)非线性滤波需要通过采样点来传递非线性的函数关系，传统的UT(无迹)变换需要2η+1 (η为状态变量个数)个采样点，为了减少计算量，在保证滤波精度的条件下，利用超球体采样策略，减少了采样点，降低了采样部分的计算量。UKF (无迹滤波)在SINS (捷联惯性导航系统)静基座大方位失准角初始对准中计算量大，在不精确或错误的噪声统计情况下，收敛速度变慢，估计精度下降，甚至滤波发散。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种基于超球体采样和STFUKF(强跟踪无迹滤波)方法用于SINS静基座初始对准，该初始对准方法采用超球体采样与强跟踪无迹滤波(STFUKF)方法相结合，利用SINS非线性误差模型，通过滤波估计出状态信息，从而获得初始姿态矩阵。本专利技术的，包括以下几个步骤步骤一，建立SINS静基座初始对准的非线性状态方程；步骤二，建立基于超球体采样的强跟踪无迹滤波方法，得到状态变量估计值；步骤三，由导航计算机，采集轨迹发生器的惯性器件输出信息，并完成对准过程。本专利技术的优点在于(1)利用超球体的采样策略，减少了采样点的数量，降低了计算量，减少了采样部分的时间；(2)将强跟踪滤波与UKF相结合应用到捷联惯导静基座初始对准中，解决系统以及噪声不确定性所带来的滤波精度下降的问题；(3)所采用的非线性模型不受航向失准角大小的限制，使用范围更加广泛；(4)将超球体采样与强跟踪无迹滤波(STFUKF)方法相结合，具有精度高、抗干扰性好、跟踪能力强的特点。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是在仿真时间为300s，三种方法的。，误差角度曲线。图3是在仿真时间为300s，三种方法的。，误差角度曲线。图4是在仿真时间为300s，三种方法的。2误差角度曲线。图5是在仿真时间为1000s，三种方法的。，误差角度曲线。图6是在仿真时间为1000s，三种方法的。，误差角度曲线。图7是在仿真时间为1000s，三种方法的。2误差角度曲线。图8是在仿真时间为1000s，加入改进方法之后的。，误差角度曲线。图9是在仿真时间为1000s，加入改进方法之后的。，误差角度曲线。图10是在仿真时间为1000s，加入改进方法之后的。2误差角度曲线。具体实施例方式步骤:下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的，流程如图1所示，包括以下几个步骤一，建立SINS静基座初始对准的非线性状态方程；本专利技术中，地心惯性坐标系(i表示)为^qyiZi ；导航坐标系选为地理系(t表示)， 地理系(t表示)为；计算地理系(c表示)为\w。假设计算地理系和实际地理系之间的姿态误差角分别为水平两个方向的水平误差角φχ，Φγ和垂直方向上得方位误差角ΦΖ，则地理系到计算地理系通过以下转动方式实现t系绕着Zt轴转动Φζ，得到、系U1坐标系)；、系绕·\轴转动Φχ，得到t2系(t2 坐标系)；t2系绕A轴转动Φγ，得到C系(C坐标系)。因为水平误差角φχ，φ,都在1°以内，可以视其为小量，则SinOx ^ cDx，sinOy ^ Φ,,οο8Φχ = cosOy ^ l，t系和c系之间的关系用下面的矩阵表示权利要求1. ，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤一，建立SINS静基座初始对准的非线性状态方程；地心惯性坐标系i为XiyiZi ；导航坐标系选为地理系，地理系t为；计算地理系c2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述的步骤二 ；3)中μ按照下述的强跟踪算法获得观测量Z的一步预测值i和观测量Ζ，求得残差γ为;/ = Z-i，由残差γ计算残差矩阵 V，V的初值V(I)为V⑴=Y(I) · Υ(1)τ，其中，Y(I)为第一步滤波时产生的残差； 当进行第二步滤波以及进一步滤波时，V的值通过以下递推关系得到全文摘要本专利技术公开了，包括以下几个步骤步骤一，建立SINS静基座初始对准的非线性状态方程；步骤二，建立基于超球体采样的强跟踪无迹滤波方法，得到状态变量估计值；步骤三，由导航计算机，采集轨迹发生器的惯性器件输出信息，并完成对准过程。本专利技术利用超球体的采样策略，减少了采样点的数量，降低了计算量，减少了采样部分的时间；本专利技术将强跟踪滤波与UKF相结合应用到捷联惯导静基座初始对准中，解决系统以及噪声不确定性所带来的滤波精度下降的问题。文档编号G01C21/16GK102359786SQ20111020177公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日专利技术者王养柱, 胡永浩 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于超球体采样的初始对准方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一，建立ＳＩＮＳ静基座初始对准的非线性状态方程；地心惯性坐标系ｉ为ｘｉｙｉｚｉ；导航坐标系选为地理系，地理系ｔ为ｘｔｙｔｚｔ；计算地理系ｃ为ｘｃｙｃｚｃ；假设计算地理系和实际地理系之间的姿态误差角分别为水平两个方向的水平误差角Φｘ，Φｙ和垂直方向上得方位误差角Φｚ，则地理系到计算地理系通过以下转动方式实现：ｔ系绕着ｚｔ轴转动Φｚ，得到ｔ１系；ｔ１系绕轴转动Φｘ，得到ｔ２系；ｔ２系绕轴转动Φｙ，得到ｃ系；水平误差角Φｘ，Φｙ在１°以内，则ｓｉｎΦｘ≈Φｘ，ｓｉｎΦｙ≈Φｙ，ｃｏｓΦｘ＝ｃｏｓΦｙ≈１，ｔ系和ｃ系之间的关系用下面的矩阵表示：＊＊＊其中：表示由ｔ系到ｃ系的转换矩阵，表示由ｔ２系到ｃ系的转换矩阵，表示由ｔ１系到ｔ２系的转换矩阵，表示由ｔ系到ｔ１系的转换矩阵，由于ｓｉｎΦｘ≈Φｘ，ｓｉｎΦｙ≈Φｙ，ｃｏｓΦｘ＝ｃｏｓΦｙ≈１，得＊＊＊姿态误差角Φｔ＝（Φｘ，Φｙ，Φｚ）Ｔ，由姿态微分方程得：＊＊＊其中，Ωｔｃ＝Ωｉｃ－Ωｉｔ，Ωｉｔ为坐标系ｔ相对于坐标系ｉ的角速度ωｉｔ的反对称阵，Ωｉｃ为坐标系ｃ相对于坐标系ｉ的角速度ωｉｔ的反对称阵，Ωｔｃ为坐标系ｉ相对于坐标系ｔ的角速度ωｉｔ的反对称阵，得到：＊＊＊其中：＊＊＊ωｉｘ表示角速度ωｉｔ在ｘ轴的分量，ωｉｙ表示角速度ωｉｔ在ｙ轴的分量，ωｉｚ表示角速度ωｉｔ在ｚ轴的分量；＊＊＊式中，λ为当地的经度，Ｌ是当地的纬度，ωｉｅ是地球自转角速率；当Φｘ，Φｙ都在１°以内时，得到：＊＊＊其中：ωｔｃ表示坐标系ｃ相对于坐标系ｔ的角速度，ωｔｘ表示角速度ωｔｃ在ｘ轴的分量，ωｔｙ表示角速度ωｔｃ在ｙ轴的分量，ωｔｚ表示角速度ωｔｃ在ｚ轴的分量，又因为：根据向量及其反对称阵的对应关系，上式写成：＊＊＊其中，ωｉｃ＝ωｉｔ＋δωｉｔ＋ε，ε是陀螺仪的漂移在地理系的投影，δωｉｔ是在ＳＩＮＳ中计算ωｉｔ时的误差；综上所述，得到ＳＩＮＳ静基座下的非线性的对准方程；＊＊＊其中：Ｉ表示３阶单位矩阵；在静基座下，ωｉｔ＝（０，ωｉｅ　ｃｏｓＬ，ωｉｅ　ｓｉｎＬ）Ｔ，Ｒ是地球半径；得到：＊＊＊其中：，εｘ，εｙ，εｚ分别为ε在三个坐标轴方向的投影分量，ΔＶｘ，ΔＶｙ，ΔＶｚ是速度误差在地理系的投影；由比力方程：＊＊＊其中，Ｖｔ－载体的速度在ｔ系的投影，ａｔ－比力在ｔ系的投影，Δｎｔ－有害加速度在ｔ系的投影，ｇｔ＝［０　０　－ｇ］Ｔ是重力加速度；由惯导计算出的速度方程为：＊＊＊而加速度计的读数为：＊＊＊将上式左乘变形得：＊＊＊其中，ａｃ为比力在ｃ系的投影，是加速度计算系统偏差在相应坐标系上的投影；由上可得：＊＊＊其中，＊＊＊Ｌ是当地的纬度，ωｉｅ是地球自转角速度，ΔＶｘ，ΔＶｙ，ΔＶｚ是速度误差在地理系的投影；根据转移矩阵的正交性有：＊＊＊所以，当如不考虑ΔＶｚ，速度误差方程为：＊＊＊当方位误差角Φｚ大于１°时，ＳＩＮＳ静基座初始对准的非线性状态方程为：＊＊＊其中，状态变量＊＊＊Ｗ＝［Δαｘ　Δαｙ　Δωｘ　Δωｙ　Δωｚ］Ｔ为５×１过程噪声矩阵，为加速度计漂移，εｘ，εｙ，εｚ为陀螺仪的漂移，Δαｘ，Δαｙ为加速度计误差的白噪声，Δωｘ，Δωｙ，Δωｚ为陀螺仪漂移的白噪声，ωｉｅ为地球自转角速度，Ｌ为当地地理纬度，ｇ为当地重力加速度；在静基座初始对准中，取加速度计在水平两个方向上的输出作为观测量Ｚ，得到量测方程：Ｚ＝ＨＸ＋η其中，Ｚ为观测量，＊＊＊η为２×１观测噪声矩阵；步骤二，建立基于超球体采样的强跟踪无迹滤波方法，得到状态变量估计值；具体包括以下几个步骤：１）状态变量初始化；对步骤一得到的ＳＩＮＳ静基座初始对准的非线性状态方程中的状态变量进行初始化，设置ΔＶｘ、ΔＶｙ、Φｘ、Φｙ、Φｚ、εｘ、εｙ、εｚ的初始值，并且设定Ｘ的均值和均方差Ｐ０，均值为１０行１列的列向量，均方差Ｐ０为１０行１０列的对角矩阵，具体为：＊＊＊其中：ｘ０表示状态变量Ｘ的初始值；２）获取强跟踪无迹滤波需要的采样点；采用超球体采样方法获取ｎ＋２个Ｓｉｇｍａ采样点及Ｓｉｇｍａ采样点的权值Ｗ，ｎ表示状态变量的维数，具体为：（１）随机确定常数Ｗ０，０≤Ｗ０≤１；（２）获取１２个Ｓｉｇｍａ采样点的权值，每一个Ｓｉｇｍａ采样点的权值Ｗ为：＊＊＊（３）获取１０维状态变量时的第１２个Ｓｉｇｍａ采样点，具体为：首先获取状态变量维数ｊ＝１，ｉ＝ｊ＋２＝３时，三个Ｓｉｇｍａ采样点：＊＊＊其中：表示１维时第０个Ｓｉｇｍａ采样点，表示１维时第１个Ｓｉｇｍａ采样点，表示１维时第２个Ｓｉｇｍａ采样点；通过，１维状态变量进行递推计算，当状态变量维数ｊ＝２，３…，１０时，ｊ＝２，３…，１０，ｉ＝ｊ＋２，Ｓｉｇｍａ采样点具体为：＊＊＊其中：表示状态为ｊ维的第ｉ个Ｓｉｇｍａ采样点，是一个ｊ行ｉ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王养柱，胡永浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11