MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，本发明专利技术采用GPS确定载体的初始位置信息，采集MEMS加速度计和磁强计输出的数据，采用解析法完成粗对准，粗略地得到捷联矩阵；然后建立基于MEMS的捷联惯导系统初始对准的非线性模型，进行滤波的初始化；然后利用平方根CKF进行状态估计，在每次迭代时利用状态估计量与一次预测状态量之差，对系统噪声方差阵进行更新，增强滤波对系统噪声统计特性不确定的自适应能力；然后得到精确地平台失准角校正系统的姿态矩阵，从而完成初始对准；本发明专利技术可以在陀螺仪常值漂移较大时也能较好的完成初始对准，并且增强了滤波对系统噪声统计特性不确定的自适应能力。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，本专利技术采用GPS确定载体的初始位置信息，采集MEMS加速度计和磁强计输出的数据，采用解析法完成粗对准，粗略地得到捷联矩阵；然后建立基于MEMS的捷联惯导系统初始对准的非线性模型，进行滤波的初始化；然后利用平方根CKF进行状态估计，在每次迭代时利用状态估计量与一次预测状态量之差，对系统噪声方差阵进行更新，增强滤波对系统噪声统计特性不确定的自适应能力；然后得到精确地平台失准角校正系统的姿态矩阵，从而完成初始对准；本专利技术可以在陀螺仪常值漂移较大时也能较好的完成初始对准，并且增强了滤波对系统噪声统计特性不确定的自适应能力。【专利说明】MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法
本专利技术涉及一种MEMS捷联惯导系统方法，尤其涉及一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法。
技术介绍
微机械电子(MEMS)技术，在近几年随着器件结构、加工工艺、读出电路和接口电路、集成及封装等技术的快速进步，而逐渐完善成熟。基于MEMS技术的惯性测量单元(IMUs)集成了微机械加速度计和微机械陀螺，因而，MEMS具有体积小、集成化、成本低、功耗低、可靠性高等特点。MEMS的突出特点使其在众多的民用和军用领域具有广阔的应用前 初始对准是捷联惯导系统中的关键技术之一，其对准时间和精度直接影响惯导系统的工作性能。而初始对准通常分为粗对准和精对准两个阶段。由于MEMS陀螺仪的精度不高，地球自转角速率会被陀螺噪声所淹没，不能正确敏感地球角速率。所以初始航向由集成的MEMS磁强计的测量值经过计算得到。但是在恶劣的工作环境下磁强计会受到干扰，在精对准开始时就存在两 个较小的水平误差角，和一个较大的航向误差角。因此基于MEMS捷联惯导系统的初始对准是大失准角初始对准，这导致传统的卡尔曼滤波失去作用，因此在这种情况下应采用非线性滤波。传统的非线性滤波EKF在处理非线性较强的系统时，由于高阶项截断误差，会导致滤波数值不稳定性且有可能发散。而最近提出的基于三阶spherical-radialcubature准则的cubaturekalman filter则克服了 EKF缺点。CKF类似于UKF都避免了对非线性模型的线性化处理，不依赖于具体系统模型的非线性方程，算法相对独立，适用于任何形式的非线性模型。而平方根CKF通过传播状态的方差平方根，确保了方差矩阵的对称性和正定性，一定程度上缓解了滤波过程中舍入误差导致的滤波发散和数值精度降低的问题，具有比CKF更好的滤波性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的，包括以下步骤:( I)利用GPS确定载体的初始精度、纬度参数；(2)采集MEMS加速度计和磁强计输出的数据；(3)采用解析法来进行系统的粗对准，粗略的得到载体坐标系到计算地理坐标系的姿态矩阵q_(o).【权利要求】1.一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)利用GPS确定载体的初始精度、纬度参数； (2)采集MEMS加速度计和磁强计输出的数据； (3)采用解析法来进行系统的粗对准，粗略的得到载体坐标系到计算地理坐标系的姿态矩阵cKg); 2.根据权利要求1所述的MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，其特征在于:所述步骤(3)采用解析法来进行系统的粗对准；该步骤首先利用MEMS加速度计的输出信号确定载体的纵摇角和横摇角，其原理是在静基座的条件下，重力加速度在地理坐标系中的水平方向上没有投影分量，加速度计只在Z轴方向上有测量值输出，然后再利用磁强计的输出信号确定载体的航向角。3.根据权利要求1所述的MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，其特征在于:所述步骤(4)建立基于MEMS的捷联惯导系统初始对准非线性状态空间模型，其中: 4.根据权利要求1所述的MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，其特征在于:所述步骤(7)釆用的自适应平方根CKF滤波算法，该算法中自适应部分对系统噪声方差阵Qk的更新的推导过程是: 【文档编号】G01C21/16GK103557864SQ201310528761【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日 【专利技术者】周广涛, 孙艳涛, 赵博, 郝勤顺, 姜鑫, 袁华润, 张天宇, 李佳璇, 于春阳, 张雷 申请人:哈尔滨工程大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS捷联惯导自适应SCKF滤波的初始对准方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）利用GPS确定载体的初始精度、纬度参数；（2）采集MEMS加速度计和磁强计输出的数据；（3）采用解析法来进行系统的粗对准，粗略的得到载体坐标系到计算地理坐标系的姿态矩阵Cbc(0)=cosβ0cosγ0-sinβ0sinα0sinγ0-cosα0sinγ0sinβ0cosγ0+cosβ0sinα0sinγ0cosβ0sinγ0+sinβ0sinα0cosγ0cosα0cosγ0sinβ0sinγ0-cosβ0sinα0cosγ0-sinβ0cosα0sinα0cosβ0cosα0式中：α0,β0,γ0分别是初始纵摇角、横摇角和航向角；（4）建立基于MEMS的捷联惯导系统初始对准非线性状态空间模型系统的状态变量为以东向和北向速度误差作为观测量Z＝[δvxδvy]T，当地地理坐标选取东北天坐标系，φx、φx和φz分别是平台东向、北向和天向失准角，和分别是三个方向上的MEMS陀螺仪常值偏移，和分别是MEMS加速度计常值零偏；量测向量取（5）根据捷联惯导系统静基座下的姿态角、速度误差方程，建立捷联惯导系统在大方位失准角下的状态空间模型：X·=f(X)+G(X)WZ=HX+V;（6）滤波初始化，在初始时刻即k＝0时，对步骤（5）中的变量初始化X^0=E(X0),SX0=chol(E[(X0-X^0)(X0-X^0)T]),SQ0=chol(Q0),式中：E表示求取期望，chol(·)表示矩阵三角分解相当于矩阵开平方根， Q0表示初始系统噪声方差阵；（7）当k≥1时，利用平方根CKF进行滤波，但在每次迭代中加入对系统噪声的更新；即在每次对状态变量估计完成后，利用以下公ΠQk=[Lv-2LvS^Qk-11LvWkgkSzz,k|k-1],S^Q=tria(ΠQk)计算每个时刻的系统噪声方差阵Qk，增强滤波的自适应能力；式中：Lv是调节因子、tria(·)表示矩阵的QR三角分解、Wk是增益矩阵；（8）利用步骤（7）估计出的平台失准角校正基于MEMS的捷联惯导系统的初始姿态矩阵即从而得到精确地姿态矩阵，完成初始对准。FDA0000405747530000011.jpg,FDA00004057475300000110.jpg,FDA0000405747530000013.jpg,FDA00004057475300000111.jpg,FDA0000405747530000014.jpg,FDA0000405747530000015.jpg,FDA0000405747530000016.jpg,FDA0000405747530000022.jpg,FDA0000405747530000023.jpg,FDA0000405747530000024.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周广涛，孙艳涛，赵博，郝勤顺，姜鑫，袁华润，张天宇，李佳璇，于春阳，张雷，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：