一种机载分布式POS的传递对准方法技术

一种机载分布式POS的传递对准方法，利用力学的方法对载机机翼的挠曲运动进行建模，并将由机翼挠曲运动产生的挠曲变形角和挠曲变形角速度增广为卡尔曼滤波的状态变量。在此基础上，采用“速度+姿态”的匹配方式设计卡尔曼滤波器，利用主惯性测量单元与GPS进行信息融合后得到的速度、姿态基准信息对子惯性测量单元进行传递对准，最终获得每个子惯性测量单元安装点的经校正后的速度和姿态信息。本发明专利技术具有自主性强、精度高的特点，可用于提高载机存在挠曲变形时分布式POS的传递对准精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机载分布式POS的传递对准方法，可用于提高载机存在挠曲变形时分布式POS的传递对准精度。
技术介绍
航空遥感是以飞机为观测平台，利用各种成像载荷获取地球表面或表层的大范围、高精度图像的战略技术，对国家经济建设和国家安全具有重大意义。随着我国经济的发展，航空遥感不断向着高分辨率、高精度、多遥感载荷集成及阵列载荷方向发展。为实现遥感载荷的高精度成像，飞机需做匀速直线运动，但飞机在实际飞行中受气流扰动、飞控系统误差等因素影响，必然偏离理想的匀速直线运动，导致遥感成像分辨率和精度严重下降。因此，高精度航空遥感必须进行运动补偿。位置姿态测量系统(Position and Orientation System, POS)是一种特殊的惯性/卫星组合测量系统,可精确测量遥感载荷中心的位置、速度和姿态等运动参数，是高分辨率航空遥感系统实现运动补偿的关键设备。但是对于装备了多个观测载荷的高性能航空遥感系统，由于多个观测载荷安装在飞机的不同位置，飞机弹性变形导致载荷间的空间相对关系发生变化。此时，采用传统的单一 POS无法实现多点的高精度位置姿态测量。因此，必须建立起高精度分布式时空基准系统(分布式P0S)为高性能航空遥感系统中所有载荷提供高精度的时间、空间信息。分布式POS由主导航系统和子惯性测量单元组成。其中主导航系统即为采用高精度惯性测量单元的P0S，可精确测量载体的运动参数；子惯性测量单元采用低精度的惯性测量单元。主惯性测量单元(导航解算后称为主惯导)通常安装在机腹中央，子惯性测量单元(导航解算后称为子惯导)安装在机翼两侧的不同载荷附近，用于测量载荷中心的运动参数。但是，子惯导精度不高，测量误差随时间累积，需要主惯导不断对其进行传递对准，以达到高精度测量。在传递对准过程中，主惯导与GPS信息进行融合后所提供的信息可视为高精度的参考信息。利用精度较高的主惯导来校准子惯导的传递对准技术就是设法估计出失准角并消除其影响，提高对准精度。因此传递对准的核心是确定主惯性测量单元与子惯性测量单元之间的姿态失准角。此时，在飞机飞行过程中，主惯性测量单元与子惯性测量单元之间的姿态失准角包括两部分固定安装误差角和机翼弹性运动引起的挠曲变形角。其中，固定安装误差角是常值，并且不受外界干扰的影响，容易确定。而挠曲变形角是由载机机动、载机内部振源或阵风等使载机机翼产生挠曲变形而产生的动态变形角，不易确定，对传递对准的精度影响较大。现有的对挠曲变形角进行补偿的方法有两种一种是用经验建模的方法，将机翼的挠曲变形考虑为二阶或三阶的马尔科夫过程，并将挠曲变形角增广为卡尔曼滤波的状态变量，通过卡尔曼滤波估计出该挠曲变形角并进行补偿。用此方法时，模型的有关参数全凭经验设定。并且，对于安装在机翼不同位置的子惯性测量单元，经验模型和模型参数也完全相同。而对于安装在机翼不同位置的子惯性测量单元来说，挠曲运动变形是有明显差别的。靠近机腹处的挠曲变形程度较低，而靠近机翼尖端处的挠曲变形程度较高。这种不加区分的对整个机翼建立统一的挠曲变形运动模型是不够精确的，必然影响了传递对准的精度；另一种补偿方法是采用加大卡尔曼滤波器过程噪声矩阵来减小机翼变形和振动的影响。此方法是依据真实模型的协方差分析结果来确定注入白噪声的强度，即通过加大过程噪声来补偿建模的挠曲变形。该方法除了可以补偿挠曲运动外，还可以增加滤波器的鲁棒性，但是以降低传递对准的精度为代价的。对于机载分布式POS来说，其用途是运动补偿，因此对传递对准精度要求较高，现有的对机翼挠曲变形进行补偿的两种方法都很难保证对准精度
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种机载分布式POS的传递对准方法，该方法可提高载机机翼存在挠曲变形时分布式POS的传递对准精度。本专利技术的技术解决方案为一种机载分布式POS的传递对准方法，具体步骤如下机载分布式POS的传递对准是利用卡尔曼滤波技术估计出主、子惯性测量单元间的失准角，包括固定安装误差角λ和挠曲变形角μ。利用主惯性测量单元与GPS进行信息融合后得到的基准信息，对主、子惯性测量单元的失准角进行校正，最终获得每个子惯性测量单元安装点的高精度速度、姿态信息，完成传递对准。(I)利用力学的方法建立载机机翼挠曲变形的运动模型，得到挠曲变形角μ和挠曲变形角速度々的运动方程；(2)采用卡尔曼滤波技术进行主惯性测量单元与GPS的信息融合，获得主惯性测量单元安装点的速度和姿态基准信息；(3)采用“速度+姿态”匹配方式建立卡尔曼滤波模型，将机翼由于挠曲变形运动产生的挠曲变形角μ和挠曲变形角速度A，增广为卡尔曼滤波的状态变量。通过卡尔曼滤波估计出主、子惯性测量单元间速度误差，固定安装误差角λ和挠曲变形角μ ；(4)利用步骤(2)得到的基准信息和步骤(3)估计出的主、子惯性测量单元间的姿态失准角，对每个子惯性测量单元的速度和姿态进行校正，最终获得每个子惯性测量单元安装点的高精度的速度和姿态信息。上述所采用的对机翼挠曲变形进行建模的方法为一种基于力学的建模方法，该方法的具体步骤为(I)利用ANSYS软件对机翼结构进行模态分析，得到机翼的第一阶弯曲模态频率 m和扭转模态频率ωη;(2)建立机翼弯曲和扭转运动与时间相关项的数学方程为权利要求1.一种机载分布式POS的传递对准方法，具体步骤为 (1)利用力学的方法建立载机机翼挠曲变形的运动模型，得到挠曲变形角μ和挠曲变形角速度A的运动方程； (2)采用卡尔曼滤波技术进行主惯性测量单元与GPS的信息融合，获得主惯性测量单元安装点的速度和姿态基准信息； (3)采用“速度+姿态”匹配方式建立卡尔曼滤波模型，将机翼因挠曲变形运动产生的挠曲变形角μ和挠曲变形角速度P，增广为卡尔曼滤波的状态变量，通过卡尔曼滤波估计出主、子惯性测量单元间的姿态失准角； (4)利用步骤(2)得到的基准信息和步骤(3)估计出的主、子惯性测量单元间的姿态失准角，对每个子惯性测量单元计算出速度、姿态进行校正，最终获得每个子惯性测量单元安装点的经校正后的速度和姿态信息。2.根据权利要求I所述的一种机载分布式POS的传递对准方法，所述的步骤(I)利用基于力学的方法建立载机机翼挠曲变形运动模型，其具体步骤为 (I. D利用有限元软件对机翼结构进行模态分析，得到机翼的第一阶弯曲模态频率ωπ和扭转模态频率ωη ； (1.2)建立机翼弯曲和扭转运动与时间相关项的数学方程为全文摘要一种机载分布式POS的传递对准方法，利用力学的方法对载机机翼的挠曲运动进行建模，并将由机翼挠曲运动产生的挠曲变形角和挠曲变形角速度增广为卡尔曼滤波的状态变量。在此基础上，采用“速度+姿态”的匹配方式设计卡尔曼滤波器，利用主惯性测量单元与GPS进行信息融合后得到的速度、姿态基准信息对子惯性测量单元进行传递对准，最终获得每个子惯性测量单元安装点的经校正后的速度和姿态信息。本专利技术具有自主性强、精度高的特点，可用于提高载机存在挠曲变形时分布式POS的传递对准精度。文档编号G01S19/49GK102621565SQ20121011339公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日专利技术者宫晓琳, 张舟, 房建成, 郭佳 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，张舟，宫晓琳，郭佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：