一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的sins自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，包括以下步驟：1)由陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量值構(gòu)建重力視運(yùn)動(dòng)向量；2)采用參數(shù)辨識(shí)與重構(gòu)方法消除儀表隨機(jī)噪聲的影響；3)由三個(gè)時(shí)刻的重力視運(yùn)動(dòng)向量求取重力視運(yùn)動(dòng)錐體底圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)以及底圓半徑；4)構(gòu)建錐體中心軸向量，通過向量運(yùn)算方法完成初始對(duì)準(zhǔn)；5)根據(jù)錐體中各向量幾何關(guān)系完成緯度L計(jì)算。
【專利說明】-種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS初始對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，適用于載機(jī) 無線運(yùn)動(dòng)、搖擺條件下的初始對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)過程中不需要任何外部參考信息，且在對(duì)準(zhǔn)過 程中，可以完成緯度的計(jì)算，屬于導(dǎo)航算法的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于基于積分工作方式的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，初始對(duì)準(zhǔn)是其工作的前提和基礎(chǔ)， 也是INS的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)之一。具體針對(duì)SINS而言，初始對(duì)準(zhǔn)是指獲取載體系b與導(dǎo)航 系η之間的姿態(tài)矩陣。在諸多的SINS初始對(duì)準(zhǔn)方法中，自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)因不需要利用外部參考 導(dǎo)航信息而被廣泛研究與關(guān)注。常用的自對(duì)準(zhǔn)方法包括有：基于重力加速度與地球自轉(zhuǎn)角 速度的解析法對(duì)準(zhǔn)、基于羅經(jīng)效應(yīng)的羅經(jīng)法對(duì)準(zhǔn)、基于零速約束與Kalman濾波技術(shù)的零速 對(duì)準(zhǔn)等。
[0003] 然而上述方法在晃動(dòng)基座上進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，均存在抗干擾能力不足的缺點(diǎn)。如 在晃動(dòng)基座上，因地球自轉(zhuǎn)角速度完全淹沒在陀螺噪聲中，無法完成對(duì)準(zhǔn)。
[0004] 此外，上述方法在初始對(duì)準(zhǔn)過程中均需要利用外部位置信息。如解析對(duì)準(zhǔn)需要利 用緯度信息對(duì)地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行分解；羅經(jīng)法與零速對(duì)準(zhǔn)中，需要位置信息構(gòu)成SINS解 算回路。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于在未知緯度信息的條件下，完全利用慣性儀表自身 的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成SINS的初始對(duì)準(zhǔn)，并獲取緯度信息以供后續(xù)導(dǎo)航解算。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：1)初始對(duì)準(zhǔn)過程中，不需要外部參考輔 助導(dǎo)航信息；2)加速度計(jì)測(cè)量噪聲不需要通過速度積分方法進(jìn)行平滑，而是通過參數(shù)辨識(shí) 與重構(gòu)方法進(jìn)行去除；3)用于初始對(duì)準(zhǔn)的三個(gè)向量實(shí)際包含了對(duì)準(zhǔn)過程中所有量測(cè)值的 信息，而非僅三個(gè)時(shí)間點(diǎn)；4)對(duì)準(zhǔn)結(jié)束過程以及對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后，可對(duì)外輸出參考維度信息，用 于SINS的導(dǎo)航解算或其他設(shè)備使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明使用的重力視運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明使用的重力視運(yùn)動(dòng)圓錐中心軸求解示意圖；
[0010] 圖3為本發(fā)明失準(zhǔn)角誤差估計(jì)誤差圖；
[0011] 圖4為本發(fā)明緯度計(jì)算誤差圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施 例。
[0013] 實(shí)施例：
[0014] 本發(fā)明針對(duì)慣性系中重力視運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的圓錐體，利用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量值構(gòu) 建重力視運(yùn)動(dòng)向量，利用參數(shù)辨識(shí)與重構(gòu)方法消除儀表隨機(jī)噪聲的影響，利用三個(gè)時(shí)刻的 重力視運(yùn)動(dòng)向量求取重力視運(yùn)動(dòng)錐體底圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)以及底圓半徑，并構(gòu)建錐體中心軸 向量，通過向量運(yùn)算方法完成初始對(duì)準(zhǔn)，根據(jù)錐體中各向量幾何關(guān)系完成緯度計(jì)算。
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方法做更詳細(xì)地描述：
[0016] 圖1為本發(fā)明使用的重力視運(yùn)動(dòng)示意圖，在慣性系中觀察隨地球自轉(zhuǎn)的某點(diǎn)的重 力加速度指向與大小的變化，構(gòu)成該圓錐。
[0017] 利用陀螺儀和加速度計(jì)具體獲得圖1中圓錐的各重力視運(yùn)動(dòng)向量，具體包括如下 步驟：
[0018] 凝固初始時(shí)刻h的載體坐標(biāo)系b為慣性坐標(biāo)系，得到初始時(shí)刻b系與4,系間姿 態(tài)矩陣為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 由陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量值構(gòu)建重力視運(yùn)動(dòng)向量； 2) 采用參數(shù)辨識(shí)與重構(gòu)方法消除儀表隨機(jī)噪聲的影響； 3) 由三個(gè)時(shí)刻的重力視運(yùn)動(dòng)向量求取重力視運(yùn)動(dòng)錐體底圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)以及底圓半 徑； 4) 構(gòu)建錐體中心軸向量，通過向量運(yùn)算方法完成初始對(duì)準(zhǔn)； 5) 根據(jù)錐體中各向量幾何關(guān)系完成緯度L計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征 所述的步驟1)由陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量值構(gòu)建重力視運(yùn)動(dòng)向量具體包括如下步驟： 凝固初始時(shí)刻h的載體坐標(biāo)系b為慣性坐標(biāo)系4。，得到初始時(shí)刻b系與4"系間姿態(tài)矩 陣為亡=/，I為3X3的單位矩陣； 利用陀螺儀的測(cè)量值跟蹤b系相對(duì)于4。系的變化： ^(〇 = ^·(0?Λχ) ⑴ 式中，上標(biāo)表示計(jì)算值；"?"表示測(cè)量值； 通過式⑴計(jì)算得到的姿態(tài)矩陣將加速度計(jì)的測(cè)量值尸(〇投影到4。系中，得到慣 性系中重力視運(yùn)動(dòng)向量/'Μ(0為： r^t)=cr(t)fb(t) (2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征 在于，所述的步驟2)采用參數(shù)辨識(shí)與重構(gòu)方法消除儀表隨機(jī)噪聲的影響，具體包括： 求取重力視運(yùn)動(dòng)的理想表達(dá)式如下：
(3) 式中，fn為導(dǎo)航系η中重力加速度向量；g為重力加速度；θ(ι為初始時(shí)刻地球系；e為地 球系；ω ie為地球自轉(zhuǎn)角速度；aij與h (i，j = 1?3)分別為矩陣Q與?中的各元素 ；Aij 為運(yùn)算得到的關(guān)于au、的函數(shù)； 利用式⑵中重力視運(yùn)動(dòng)的實(shí)際計(jì)算值卜(〇,通過遞推最小二乘辨識(shí)法辨識(shí)式⑶中 的參數(shù)Ay，并根據(jù)辨識(shí)得到的參數(shù)，重構(gòu)重力視運(yùn)動(dòng)/、〇,具體包括以下步驟： 21)對(duì)'系中\(zhòng)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，選擇狀態(tài)向量為X=[An A12 A13]T，量測(cè)向量為 A =嚴(yán)》，其中k為迭代更新次數(shù)，系統(tǒng)方程、量程矩陣Hk以及量測(cè)方程分別依次如下： Xk+i = \ ⑷ Hk = [cos(c〇iet) sin(c〇iet) 1] (5) Zk = HkXk+Vk (6) 式中，Vk為量程噪聲。遞推最小二乘辨識(shí)算法具體如下：
(7) 式中，Kk為增益矩陣；Pk為狀態(tài)協(xié)方差矩陣；Rk為Vk的協(xié)方差陣； 22) 對(duì)4。系中\(zhòng)軸參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，選擇狀態(tài)向量為父=[414243]'量測(cè)向量為 & = /"?，其余各式同式（4)-(7); 23) 對(duì)4。系中\(zhòng)軸參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，選擇狀態(tài)向量為X = [A31 A32 Α33]τ，量測(cè)向量為 4 =嚴(yán)"，其余各式同式（4)-(7); 根據(jù)步驟2)中辨識(shí)獲取的參數(shù)Ay構(gòu)建矩陣并根據(jù)c〇iet，重構(gòu)重力視運(yùn)動(dòng)尸切， 具體選擇時(shí)間點(diǎn)分別為TA = -t、TB = 0與T。= t，其中T。為當(dāng)前時(shí)刻，
(8)
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征 所述的步驟3)由三個(gè)時(shí)刻的重力視運(yùn)動(dòng)向量求取重力視運(yùn)動(dòng)錐體底圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)以及 底圓半徑，具體包括： 錐體底圓中心點(diǎn)為：
(10) (11)
(12)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征 在于，所述的步驟3)由三個(gè)時(shí)刻的重力視運(yùn)動(dòng)向量求取重力視運(yùn)動(dòng)錐體底圓的中心點(diǎn)坐 標(biāo)以及底圓半徑具體為： 構(gòu)建中心軸向量：
(13) (14) (15) (16) (17)
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力視運(yùn)動(dòng)的SINS自對(duì)準(zhǔn)與緯度計(jì)算方法，其特征 在于，所述的步驟5)根據(jù)錐體中各向量幾何關(guān)系完成緯度L計(jì)算，具體為：
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK104296780SQ201410549590
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】劉錫祥, 趙玉, 宋清, 楊燕, 劉賢俊, 劉志鵬 申請(qǐng)人:東南大學(xué)