一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法技术

本发明专利技术属于惯性导航技术领域，为进一步提高捷联惯导系统初始对准的精度与速度，本发明专利技术提出了一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法，并建立以速度误差为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为观测量的观测方程，通过卡尔曼滤波技术估计出载体失准角并反馈到系统中完成系统的初始对准。本发明专利技术主要优点在于在不改变系统现有硬件结构条件下，充分利用了天线跟踪稳定平台的结构特点进行转动基座初始对准，有利于提高捷联惯导系统的可观测性，从而有效地提高了捷联惯导系统初始对准的对准精度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于惯性导航
，为进一步提高捷联惯导系统初始对准的精度与速度，本专利技术提出了一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法，并建立以速度误差为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为观测量的观测方程，通过卡尔曼滤波技术估计出载体失准角并反馈到系统中完成系统的初始对准。本专利技术主要优点在于在不改变系统现有硬件结构条件下，充分利用了天线跟踪稳定平台的结构特点进行转动基座初始对准，有利于提高捷联惯导系统的可观测性，从而有效地提高了捷联惯导系统初始对准的对准精度。【专利说明】
本专利技术涉及的是一种导航领域的初始姿态确定方法，特别是涉及一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法。
技术介绍
惯性导航系统根据测得的移动载体的加速度，通过积分运算求得载体的速度与位置，因此，必须知道积分的初值即载体的初始速度和初始位置。此外，以地理坐标系为导航坐标系的惯性导航系统中，无论物理平台还是数学平台都是测量加速度的基准，而且平台必须准确地对准和跟踪地理坐标系，以避免由平台误差引起加速度计测量误差。在惯导系统加电启动后，平台的三轴指向是任意的，因此在系统进入导航工作状态前，必须将平台的三轴指向进行对准，此过程即为惯导系统的初始对准。初始对准的精度直接关系到惯导系统的工作精度。因此，初始对准是惯性导航系统的关键技术之一。根据相关文献研究可知，两位置或多位置初始对准通过改变方位角可使系统状态变量变得完全可观测，此时可有效的提高初始对准精度。分析发现最优二位置初始对准在引入第二位置(即方位角改变180° )后，系统状态变量估计精度明显提高，这说明方位角的改变能有效提高系统误差状态量的估计精度。在多位置初始对准中方位角只改变了几个位置，因此若能够在更多的位置改变方位角，系统状态变量估计精度将会进一步提高。旋转调制式惯导原理简单，但实现方案很多。按旋转轴进行区分，可分为单轴旋转调制、双轴旋转调制；从旋转级别来分，可分为系统级旋转调制方法和器件级旋转调制方法。系统级旋转调制是将整个IMU作为一个整体来旋转，其优点为工程实现简单，惯性器件正交性容易保证。而器件级旋转调制方法中，惯性器件单独进行壳体翻转，存在惯性器件正交性难以保证的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的为在最优多位置初始对准技术研究的基础上进一步提高捷联惯导系统初始对准的精度与速度。本专利技术的技术解决方案为:提出了一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法，其特征在于在不改变系统现有硬件结构条件下，可充分利用天线跟踪稳定平台的结构特点进行转动基座初始对准，有利于提高捷联惯导系统的可观测性，从而有效地提高了捷联惯导系统初始对准的对准精度；其具体步骤如下: 步骤一、将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离为r; 步骤二、利用全球定位系统GPS确定载体所在位置的经度\、纬度Z ； 步骤三、根据所确定的经度、纬度信息以及惯导系统惯性器件的输出进行粗对准，得到惯性测量单元姿态矩阵的近似估计值； 步骤四、启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率记为《，并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数记为n;步骤五、按照步骤三所确定的旋转方案旋转的同时，利用粗对准得到的姿态矩阵、惯性测量单元中陀螺实时输出的角速度信息和加速度计实时输出的比力信息，以更新惯性测量单元的姿态矩阵； 步骤六、通过卡尔曼滤波完成捷联惯导转动基座对准，具体步骤如下: ?转动基座捷联惯导误差建模 首先，建立旋转捷联惯导系统的平台误差角方程，旋转捷联惯导从惯性测量单元中获取角速度和比力信息，经过Cf可实现惯性器件敏感系s到载体坐标系b的转换，转换后的捷联解算流程与常规的捷联惯导系统是一致的，因此，其平台误差角方程形式仍为:【权利要求】1.，其特征在于:该方法的实现包括以下步骤: 步骤一、将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离为r; 步骤二、利用全球定位系统GPS确定载体所在位置的经度\、纬度Z ； 步骤三、根据所确定的经度、纬度信息以及惯导系统惯性器件的输出进行粗对准，得到惯性测量单元姿态矩阵的近似估计值； 步骤四、启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率记为《，并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数记为n; 步骤五、按照步骤三所确定的旋转方案旋转的同时，利用粗对准得到的姿态矩阵、惯性测量单元中陀螺实时输出的角速度信息和加速度计实时输出的比力信息，以更新惯性测量单元的姿态矩阵； 步骤六、通过卡尔曼滤波完成捷联惯导转动基座对准，具体步骤如下: ①转动基座捷联惯导误差建模 首先，建立旋转捷联惯导系统的平台误差角方程，旋转捷联惯导从惯性测量单元中获取角速度和比力信息，经过Cf可实现惯性器件敏感系s到载体坐标系b的转换，转换后的捷联解算流程与常规的捷联惯导系统是一致的，因此，其平台误差角方程形式仍为: 2.根据权利要求1所述的一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法，其特征在于:步骤一中，将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离取为r = 50c? ;捷联惯导的安装方向为捷联惯导的X轴、7轴和z轴分别指向载体的右方、前方和上方。3.根据权利要求1所述的一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法，其特征在于:步骤三中，粗对准的方法采用解析式粗对准方法。4.根据权利要求1所述的一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法，其特征在于:步骤四中，启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率取③=們s ,并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数取《 = 50。【文档编号】G01C25/00GK103557876SQ201310569032【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日 【专利技术者】张华强, 许敬, 李东兴 申请人:山东理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法，其特征在于：该方法的实现包括以下步骤：步骤一、将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离为r；步骤二、利用全球定位系统GPS确定载体所在位置的经度λ、纬度L；步骤三、根据所确定的经度、纬度信息以及惯导系统惯性器件的输出进行粗对准，得到惯性测量单元姿态矩阵的近似估计值；步骤四、启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率记为ω，并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数记为n；步骤五、按照步骤三所确定的旋转方案旋转的同时，利用粗对准得到的姿态矩阵、惯性测量单元中陀螺实时输出的角速度信息和加速度计实时输出的比力信息，以更新惯性测量单元的姿态矩阵；步骤六、通过卡尔曼滤波完成捷联惯导转动基座对准，具体步骤如下：转动基座捷联惯导误差建模首先，建立旋转捷联惯导系统的平台误差角方程，旋转捷联惯导从惯性测量单元中获取角速度和比力信息，经过可实现惯性器件敏感系s到载体坐标系b的转换，转换后的捷联解算流程与常规的捷联惯导系统是一致的，因此，其平台误差角方程形式仍为：式中，为失准角矢量，为地球自转角速率在导航坐标系下的投影，为导航坐标系相对于地球坐标系在导航坐标系下的投影，为陀螺等效到导航坐标系下的误差；其次，建立旋转捷联惯导系统的速度误差方程，由比力方程可得速度误差方程为：式中，为载体在导航坐标系下的速度，为加速度计输出的比力；最后，建立旋转捷联惯导系统的位置误差方程，惯导系统位置误差方程为：式中，和分别为东向和北向速度误差，和分别为东向和北向速度，为地球子午圈主曲率半径，为地球卯酉圈主曲率半径，为高度，为载体所在地球纬度；对于旋转基座捷联惯导系统初始对准来讲，可以不考虑轴方向的加速度和速度，即可以认为，，同时捷联惯导系统本身不存在相对于地球的线速度，因此可以略去以上惯导系统误差方程中的有关项，可得旋转基座捷联惯导初始对准系统的误差方程如下：捷联惯导平台误差角简化方程：捷联惯导速度误差简化方程：捷联惯导位置误差简化方程：式中，、和分别为东向、北向和天向平台失准角，为地球自转角速率，、、等效为导航坐标系东北天方向陀螺的误差；惯性器件随机误差在导航坐标系以及惯性器件敏感坐标系之间的关系如下：、，其中，和分别为陀螺和加速度计在导航坐标系下的随机误差，为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵，为惯性器件敏感系到载体坐标系的转换矩阵，和分别为陀螺和加速度计在惯性器件敏感坐标系下的随机误差；卡尔曼滤波器状态方程与观测方程的建立捷联惯导在初始对准时，移动载体相对于地理坐标系是静止的，由于地理位置信息精确已知，因此可以忽略误差模型中的位置误差；同时考虑到惯导系统的垂直通道不稳定，因此初始对准状态方程中只采用速度误差和加速度误差的水平分量作为状态量，此时系统状态变量的维数可降为10维，惯导系统在导航坐标系下的初始对准误差模型为：式中，为系统的状态向量，为状态转移矩阵，为系统噪声向量；将这些参数写成矩阵形式如下：式中，和分别为东向和北向速度误差，、和分别为东向、北向和天向平台失准角，和分别为轴和轴加速度计偏置，、和分别为轴、轴和轴陀螺常值漂移，，，为姿态矩阵元素，即；取和作为卡尔曼滤波器的观测量时，系统观测方程为：式中，为系统观测向量，为观测矩阵，为观测噪声，服从分布，为观测噪声协方差阵；将所求得的状态方程和观测方程进行卡尔曼滤波，估计出姿态角的误差和惯性器件的零偏，即可完成初始对准。714294dest_path_image001.jpg,639525dest_path_image002.jpg,863832dest_path_image003.jpg,987646dest_path_image004.jpg,334314dest_path_image005.jpg,800369dest_path_image006.jpg,828367dest_path_image007.jpg,72267dest_path_image008.jpg,261940dest_path_image009.jpg,224080dest_path_image010.jpg,790190dest_path_image011.jpg,91859dest_path_image012.jpg,514750dest_path_image013.jpg,901869dest_path_image014.jpg,333987dest_path_image015.jpg,224583dest_path_image016.jpg,83954dest...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张华强，许敬，李东兴，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：