專利名稱：一種船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種準確、快速、穩(wěn)定可靠、易于實現(xiàn)的船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，該方法同樣也可用于其它應(yīng)用場合慣性慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座及搖擺基座初始對準，屬于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有全自主、高隱蔽性、高帶寬、連續(xù)輸出等特點，在國防上具有戰(zhàn)略意義，是航空、航天、航海等領(lǐng)域中最重要的設(shè)備之一。初始對準是在慣導(dǎo)進入導(dǎo)航狀態(tài)前確定其初始狀態(tài)的過程，初始狀態(tài)包括初始速度、位置、姿態(tài)和陀螺漂移。初始對準的誤差在整個導(dǎo)航過程中會影響系統(tǒng)的導(dǎo)航性能，其水平是影響慣性導(dǎo)航精度最為主要的因素之一。艦船等應(yīng)用環(huán)境一般需要慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠在基座搖擺的條件下實現(xiàn)高精度對準，因此必須要求在慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部建立起隔離載體運動的數(shù)學/物理平臺。傳統(tǒng)的對準辦法需要慣導(dǎo)處于導(dǎo)航狀態(tài)，根據(jù)位置誤差和速度誤差反推平臺偏角及陀螺漂移。利用這種方法需要較長的對準時間，且誤差模型本身對線性近似較敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，具有準確、快速、穩(wěn)定可靠、易于實現(xiàn)等特點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，實現(xiàn)步驟如下(1)輸入初始緯度，根據(jù)初始緯度計算當?shù)氐厍蜃赞D(zhuǎn)角速度；(2)利用粗對準得到的姿態(tài)矩陣計算地球自轉(zhuǎn)角速度在載體坐標系上的投影，并將載體坐標系上地球自轉(zhuǎn)角速度的投影從陀螺儀輸出中扣除，得到載體的相對運動角速度；(3)根據(jù)步驟(2)中得到的載體相對運動角速度更新四元數(shù)及載體姿態(tài)矩陣和姿態(tài)；(4)根據(jù)步驟(3)中得到載體姿態(tài)矩陣將機體坐標系加速度計的輸出轉(zhuǎn)換到數(shù)學平臺坐標系下，得到數(shù)學平臺坐標系下載體的東向及北向加速度；(5)根據(jù)步驟⑷得到的數(shù)學平臺坐標系下載體的東向及北向加速度，計算東向、 北向數(shù)學平臺偏角；(6)根據(jù)步驟(5)得到的東向、北向數(shù)學平臺偏角作為量測量，對東向北向數(shù)學平臺偏角誤差方程進行最小二乘擬合，得到平臺坐標系下的等效陀螺漂移；(7)根據(jù)步驟(6)得到的平臺坐標系下的等效陀螺漂移計算轉(zhuǎn)導(dǎo)航時刻的數(shù)學平臺偏角并進行補償，利用(3)中計算的載體姿態(tài)矩陣，將步驟(6)擬合得到的平臺坐標系下的等效陀螺漂移轉(zhuǎn)換到載體坐標系下并進行補償。
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本發(fā)明的原理是通過建立運動隔離平臺，將載體的運動角速度從陀螺輸出中扣除，將載體姿態(tài)角引起的重力加速度投影從加速度計輸出中扣除，從而得到隔離載體運動后的平臺坐標系下的加速度及偏角量測；推導(dǎo)此種解算條件下慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型，對偏角量測進行擬合，從而估計出陀螺漂移的平均值和初始平臺偏角。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)傳統(tǒng)的船用慣導(dǎo)系統(tǒng)搖擺基座條件下初始對準時需要慣導(dǎo)處于導(dǎo)航狀態(tài)，利用導(dǎo)航位置和速度誤差反推平臺偏角和陀螺漂移，因此誤差傳遞過程時間較長，且模型對非線性誤差較敏感。本發(fā)明利用初始時刻輸入的位置作為整個對準過程中的載體位置，艦船搖擺情況下，視其速度為零，在此條件下進行姿態(tài)更新，并構(gòu)建隔離平臺，計算平臺坐標系下的加速度和平臺偏角。推導(dǎo)在以上解算條件下慣導(dǎo)的誤差方程，并以平臺偏角為量測量，利用最小二乘法估計對準過程中的平均漂移及平臺偏角，在轉(zhuǎn)導(dǎo)航時刻予以修正。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法減少了速度更新和位置更新兩個環(huán)節(jié)，可以極大縮短對準時間和提高對準精度。本發(fā)明所指的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法具有準確、快速、穩(wěn)定可靠、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。(2)本發(fā)明的對準方法不更新慣導(dǎo)位置和速度，減少了對準量測計算過程，且對非線性誤差不敏感；同時還適用于靜基座及車載等其它應(yīng)用環(huán)境的慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準，具有一定的通用性。


圖1為本發(fā)明所指的新對準方法流程示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中動基座對準等效北向陀螺漂移估計曲線；圖3為本發(fā)明實施例中動基座對準等效天向陀螺漂移估計曲線；圖4為本發(fā)明實施例中動基座對準初始方位平臺偏角估計曲線；圖5為本發(fā)明實施例中對準結(jié)束后202小時導(dǎo)航東向位置誤差曲線；圖6為本發(fā)明實施例中對準結(jié)束后202小時導(dǎo)航北向位置誤差曲線。
具體實施例方式下面以某型激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)海上試驗系泊狀態(tài)下初始對準過程為例來闡述本發(fā)明的具體實施過程。圖1為發(fā)明所提的新對準方法流程圖，具體過程如下1、輸入初始緯度，根據(jù)初始緯度計算當?shù)氐厍蜃赞D(zhuǎn)角速度；2、利用粗對準得到的姿態(tài)矩陣計算地球自轉(zhuǎn)角速度在載體坐標系上的投影，并將載體坐標系上地球自轉(zhuǎn)角速度的投影從陀螺儀輸出中扣除，得到載體的相對運動角速度， 如下式所示
(9) 3、根據(jù)步驟(2)中得到的載體相對運動角速度更新四元數(shù)及載體姿態(tài)矩陣和
"ο _
CObnb =ω\-Cbn①Noybz姿態(tài)，四元數(shù)更新過程的表達式為
權(quán)利要求
1.一種船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)輸入初始緯度，根據(jù)初始緯度計算當?shù)氐厍蜃赞D(zhuǎn)角速度；(2)利用粗對準得到的姿態(tài)矩陣計算地球自轉(zhuǎn)角速度在載體坐標系上的投影，并將載體坐標系上地球自轉(zhuǎn)角速度的投影從陀螺儀輸出中扣除，得到載體相對運動角速度；(3)根據(jù)步驟(2)中得到的載體相對運動角速度更新四元數(shù)及載體姿態(tài)矩陣和姿態(tài)；(4)根據(jù)步驟(3)中得到載體姿態(tài)矩陣，將機體坐標系加速度計的輸出轉(zhuǎn)換到數(shù)學平臺坐標系下，得到數(shù)學平臺坐標系下載體的東向及北向加速度；(5)根據(jù)步驟(4)得到的數(shù)學平臺坐標系下載體的東向及北向加速度，計算東向、北向數(shù)學平臺偏角；(6)根據(jù)步驟(5)得到的東向、北向數(shù)學平臺偏角量測量，對東向北向數(shù)學平臺偏角的誤差方程進行最小二乘擬合，得到平臺坐標系下的等效陀螺漂移；(7)根據(jù)步驟(6)得到的平臺坐標系下的等效陀螺漂移計算轉(zhuǎn)導(dǎo)航時刻的數(shù)學平臺偏角并進行補償，利用步驟(3)中計算的載體姿態(tài)矩陣，將步驟(6)擬合得到的平臺坐標系下的等效陀螺漂移轉(zhuǎn)換到載體坐標系下并進行補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，其特征在于所述步驟(2)的載體相對運動角速度計算公式如下(1)上式(1)中 &為載體相對運動角速度，<，ω"γ, 乂為三個方向陀螺儀的輸出角速度，C A為載體的姿態(tài)矩陣，(^和ω 分別為當?shù)氐厍蜃赞D(zhuǎn)角速度的北向和天向分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，其特征在于所述步驟(5)中東向、北向數(shù)學平臺偏角計算如下"ο “
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，其特征在于步驟(6)所述的由數(shù)學平臺偏角利用最小二乘法擬合陀螺漂移的過程如下a.由步驟(1)至(5)計算數(shù)學平臺偏角時，數(shù)學平臺偏角的狀態(tài)方程如下 δ4 = (ΟιΑΦν - ωΝΑΦυ + ^sE( 4 )
全文摘要
一種船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搖擺基座開環(huán)對準方法，是指艦船處于系泊狀態(tài)時，通過在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部建立數(shù)學平臺從而隔離載體角運動，并以慣導(dǎo)的數(shù)學平臺偏角為量測量，利用遞推最小二乘法進行對準與測漂。本發(fā)明直接以慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學平臺偏角為量測量，利用遞推最小二乘法進行偏角和漂移估計，可大大簡化初始對準過程的計算，具有準確、高效、易于實現(xiàn)、高通用性等特點。
文檔編號G01C21/20GK102168978SQ20101060898
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者劉芳, 張璐, 徐燁烽, 李魁 申請人:北京航空航天大學