一種基于慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公布了一種基于慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法，屬于導(dǎo)航技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度受到導(dǎo)航初始誤差和器件誤差的綜合影響，因此在慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)正式工作之前必須對系統(tǒng)進行調(diào)整，以保證導(dǎo)航計算機在正式工作時有精確的初 始條件，如初始速度、初始位置和初始姿態(tài)等，這些工作稱為慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始化過程。
[0003] -般意義上的慣導(dǎo)自對準(zhǔn)依靠陀螺和加速度計輸出進行姿態(tài)初始對準(zhǔn)，但其需要 GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))等外部方式提供載體的初始地理位置。但是在惡劣環(huán)境下，利用 GNSS進行定位可靠性不高，無法保證安全性。而以天體測量技術(shù)為基礎(chǔ)的天文導(dǎo)航方式，利 用星敏感器對恒星進行觀測，具有直接、自然、精確等優(yōu)點，自主性強，抗干擾能力強，可靠 性高，目前廣泛應(yīng)用于航海、航空及航天領(lǐng)域。所以慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)是一種高可靠 高自主的導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0004] 在缺少GNSS提供的初始位置的情況下，采用慣性/天文互助的方式，利用頂U(慣 性測量單元）輸出信息進行水平姿態(tài)自對準(zhǔn)，結(jié)合星敏感器的定位完成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的完 全初始化過程：首先采用傳統(tǒng)的慣導(dǎo)粗自對準(zhǔn)方法進行初始水平姿態(tài)的確定，同時為天文 導(dǎo)航提供高精度的水平基準(zhǔn)；在此基礎(chǔ)上利用天文導(dǎo)航系統(tǒng)的高度差定位原理完成位置信 息初始化；得到初始位置后，結(jié)合陀螺和加速度計輸出完成慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)粗對準(zhǔn)及精對 準(zhǔn)過程；并根據(jù)精對準(zhǔn)過程中估計得到的加速度計器件誤差，對加速度計輸出進行修正以 提高加速度計精度，再次進行水平對準(zhǔn)過程，進行多次迭代，提高最終的慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化精 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法，可以減少慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化過程中對GNSS等外部輔助的依賴性，實現(xiàn)載體初始地理位置未知情況 下的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化，為捷聯(lián)慣導(dǎo)的解算過程提供高精度的初始信息。
[0006] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案： 一種基于慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法，包括以下步驟： 步驟一、利用慣導(dǎo)系統(tǒng)的加速度計輸出進行水平自對準(zhǔn)，得到水平基準(zhǔn)，利用該水平基 準(zhǔn)，根據(jù)天文導(dǎo)航的高度差定位原理進行天文定位，得到載體的初始位置信息； 步驟二、結(jié)合步驟一得到的初始位置信息，完成慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)自對準(zhǔn)，包括粗對準(zhǔn)和 精對準(zhǔn)兩個步驟，得到初始姿態(tài)及陀螺、加速度計的器件誤差估計值； 步驟三、根據(jù)步驟二估計得到的加速度計誤差估計值，對慣導(dǎo)加速度計輸出作修正，并 以得到的修正結(jié)果作為加速度計的輸出信息，然后重復(fù)步驟一，以此方法進行迭代，具體迭 代次數(shù)依據(jù)本次定位結(jié)果和上次定位結(jié)果的差小于一個閾值來確定。
[0007] 所述步驟一中，得到載體的初始位置信息的具體步驟如下： 步驟A、在慣導(dǎo)系統(tǒng)開始工作后，獲取加速度計輸出信息，然后根據(jù)慣導(dǎo)水平粗對準(zhǔn)原 理得到載體的初始水平姿態(tài)角； 步驟B、在步驟A所得到的水平基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)天文導(dǎo)航的高度差定位原理，建立 天文導(dǎo)航定位模型，利用星敏感器觀測恒星，根據(jù)其輸出的高度角信息，得到載體初始地理 位置。
[0008] 所述步驟二中，得到初始姿態(tài)及陀螺、加速度計的器件誤差估計值的具體步驟如 下： 步驟a、由天文定位得到的初始地理位置，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺和加速度計的輸出，按照 慣導(dǎo)系統(tǒng)的粗對準(zhǔn)原理進行初始姿態(tài)的粗對準(zhǔn)，得到姿態(tài)角信息，作為精對準(zhǔn)的初值； 步驟b、建立慣導(dǎo)系統(tǒng)精對準(zhǔn)模型，采用多位置對準(zhǔn)方法，將速度信息作為觀測量，利用 卡爾曼濾波方法對慣導(dǎo)的平臺誤差角及陀螺、加速度計的器件誤差進行估計，再根據(jù)估計 出的平臺誤差角得到載體的初始姿態(tài)矩陣。
[0009] 本發(fā)明的有益效果如下： 慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不易受干擾的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，本發(fā)明提出的方法可以 讓慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)在初始位置未知的情況下完成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)全自主地初始化， 提高導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性及可靠性，為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供高精度的初始信息。
【附圖說明】
[0010] 圖1為慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法示意圖。
[0011] 圖2 (a)為橫滾角誤差估計曲線圖；圖2(b)為俯仰角誤差估計曲線圖；圖2(c)為 航向角誤差估計曲線圖。
[0012] 圖3(a)為X軸加速度計誤差估計曲線圖；圖3(b)為Y軸加速度計誤差估計曲線 圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細(xì)說明。
[0014] 基于慣性/天文互助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化方法的設(shè)計基本思路是：如圖1所示， 首先根據(jù)加速度計輸出完成捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對準(zhǔn)的水平粗對準(zhǔn)部分，得到載體的水平姿態(tài) 信息，為天文導(dǎo)航提供高精度的水平基準(zhǔn)；在此基礎(chǔ)上利用星敏感器進行初始定位，得到載 體位置信息；最后依據(jù)得到的位置信息進行慣導(dǎo)姿態(tài)粗對準(zhǔn)及精對準(zhǔn)，得到載體姿態(tài)信息； 根據(jù)精對準(zhǔn)過程中估計出的加速度計器件誤差對加速度計輸出作修正，并再次進行水平對 準(zhǔn)過程，多次迭代，以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化精度。具體迭代次數(shù)可以依據(jù)本次定位結(jié)果和上 次定位結(jié)果的差小于一個閾值來確定。
[0015] 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對準(zhǔn) 在靜基座條件下，地球自轉(zhuǎn)角速度在導(dǎo)航系中的表示和重力加速度在導(dǎo)航系中的 表示均為已知。同時在靜基座條件下，陀螺和加速度計的輸出是 (1) (2) 其中，_表示是陀螺的輸出，< 表示是加速度計的輸出，< 表示A坐標(biāo)系相對于/7坐 標(biāo)系的姿態(tài)矩陣。
[0016] 再定義一個新的矢量：龍
[0017] 即有
(3) 其中，誠為重力加速度與地球自轉(zhuǎn)角速度矢量的叉乘在本體系中的表示，康為重力 加速度與地球自轉(zhuǎn)角速度矢量的叉乘在導(dǎo)航系中的表示；由矩陣的相似變化關(guān)系可得
(4) 對以上⑴式、（2)式和（4)式求其轉(zhuǎn)置，然后合并，得
其中，·是煒度，漁當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，為地球自轉(zhuǎn)角速率。
[0018] 當(dāng)初始地理位置未知時，由于地理系下的重力加速度矢量杏醫(yī)0: ,f:，結(jié)合 (5)式代入⑵式，有
(6) 其中，為俯仰角，f為橫滾角。
[0019] 則可計算出
(7) 其中，為X軸加速度計的輸出；為γ軸加速度計的輸出；為z軸加速度計的 輸出；因此，當(dāng)初始地理位置未知時，采用（7)式進行水平自對準(zhǔn)；在初始地理位置已知時， 采用（5)式進行姿態(tài)粗對準(zhǔn)。
[0020] 慣性/天文互助的定位信息初始化 選取地球固聯(lián)坐標(biāo)系為參考系，該坐標(biāo)系原點為地心，fli軸通過格林尼治經(jīng)度線 與赤道的交點，似軸指向地球自轉(zhuǎn)方向。定位時坐標(biāo)系中的位置以經(jīng)煒度表示，則位置圓 在該坐標(biāo)系中的方程為
(8) 其中，篆與分別經(jīng)度、煒度，％，分別代表恒星的赤煒、地方時角，其中地方時角絶 為恒星的格林時角(0°經(jīng)線處的地方時角）與飛行器所在位置經(jīng)度的和。心、4可 通過觀測時間從星歷表中獲得，由心、G即可確定天體投影點的位置；孤為星敏感器觀測 得到的天體高度值。
[0021] 當(dāng)有多個天體的觀測值時，根據(jù)觀測到的多顆導(dǎo)航恒星，并參照概略位置信息，采 用線性化展開并多次迭代計算來獲得真實定位值。
[0022] 式（8)是一個非線性方程，按照概略經(jīng)煒度數(shù)值進行泰勒展開，可得如下增量方 程：
jup分別是迭代時的經(jīng)度改正量、煒度改正量；:|、事指的是概略的經(jīng)度值、概略 的煒度值；?為根據(jù)經(jīng)煒度估計值求得的高度角，·為經(jīng)度修正系數(shù)；1為煒度修正系數(shù)。
[0023] 當(dāng)具有兩顆或兩顆以上的導(dǎo)航恒星時，根據(jù)式（9)可給出多顆導(dǎo)航恒星時的矩陣 描述：
為量測噪聲，;％為第一顆星的高度角測量值;i為第一顆星的高度角估計值；％為第二顆 星體的高度角測量值；|:為第二顆星的高度角估計值為第一顆星的經(jīng)度修正系數(shù) 為第二顆星的經(jīng)度修正系數(shù);％為第一顆星的煒度修正系數(shù)；％為第二顆星的煒度修正系 數(shù)。方程式（10)可使用加權(quán)最小二乘進行計算，當(dāng)計算出夏后，然后執(zhí)行%=_#贏， 可迭代固定次數(shù)或者改正量小于某一閾值即可完成迭代過程。
[0024]捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)精對準(zhǔn) (1)系統(tǒng)建模 在系統(tǒng)開環(huán)的情況下，平臺誤差角方程為
其中，成為滾動角誤差；感.為俯仰角誤差