基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法

2023-05-06 00:46:11

基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法。主要步驟包括：捷聯慣性導航系統粗對準；建立基於導航坐標系重力加速度矢量匹配的非線性濾波連續系統模型及其離散化；採用容積卡爾曼非線性濾波器進行濾波，完成初始對準。優點在於本發明中狀態量採用歐拉角和慣性器件常值誤差，以歐拉角微分方程和慣性器件誤差模型為狀態方程，量測量採用導航坐標系中的重力加速度矢量，以速度微分方程為量測方程，並採用容積卡爾曼非線性濾波算法進行濾波估計，濾波輸出直接為導航參數，在濾波時間更新過程中同步實現捷聯慣導系統的導航參數更新，不需要單獨的導航解算過程，算法非常簡單，為捷聯慣性導航系統初始對準提供了一種新方案。
【專利說明】基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法，用於確定捷聯慣性導航系統的初始姿態，屬於導航、制導與控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]捷聯慣性導航系統中慣性測量單元主要包含三隻陀螺儀和三隻加速度計，通過對陀螺儀測得的角速度信息和加速度計測得的線加速度信息進行積分來獲得載體位置、速度和姿態等導航信息。根據這個原理，捷聯慣性導航系統在導航之前必須獲得初始導航信息，這個過程即為初始對準，其主要任務是初始姿態的確定，找到數學平臺。
[0003]初始對準分為粗對準和精對準兩個階段。粗對準階段，根據慣性器件測得的角速度信息和線加速度信息，採用解析法或者凝固等粗對準算法粗略的獲得初始姿態角；精對準階段，常採用系統誤差模型和相應的濾波算法，以速度誤差、位置誤差以及它們的組合等為量測量，通過各種匹配方式來精確估計出誤差量，並用這些誤差量修正導航參數，提高對準精度。
[0004]本發明中利用初始對準時載體線速度一般為零的約束條件，量測量採用導航坐標系中的重力加速度矢量，狀態量採用歐拉角和慣性器件常值誤差，以歐拉角微分方程和慣性器件誤差模型為狀態方程，以速度微分方程為量測方程，建立基於重力加速度矢量匹配的非線性直接法初始對準模型，其狀態方程和量測方程均為非線性；採用容積卡爾曼非線性濾波算法進行濾波估計，濾波時間更新過程中同步實現捷聯慣導系統的導航參數更新，不需要單獨的導航解算過程，算法非常簡單。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於不同於傳統的捷聯慣性導航系統誤差模型，直接以其歐拉角微分方程和慣性器件誤差模型為狀態方程，以其速度微分方程為量測方程，狀態量採用歐拉角和慣性器件常值誤差，量測量採用導航坐標系中的重力加速度矢量，利用容積卡爾曼非線性濾波方法來實現初始對準，精確確定初始的姿態信息，為捷聯慣性導航系統的初始對準提供一種新方法。
[0006]本發明主要包含以下步驟:
[0007]步驟1、捷聯慣性導航系統粗對準:根據慣性器件陀螺儀測得的角速度信息和加速度計測得的線加速度信息，忽略慣性器件的測量誤差，使用基於慣性系重力加速度的凝固解析粗對準算法求得粗略的初始縱搖角Θ、橫搖角Y和航向角V ；
[0008]步驟2、在載體線速度為零的前提下，根據捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程、慣性器件誤差模型以及以導航坐標系重力加速度矢量為量測量的量測方程，選定9維系統狀態量和3維量測量，建立基於重力加速度矢量匹配的非線性連續系統模型，其狀態方程和量測方程均為非線性；
[0009]步驟3、將步驟2中建立的非線性連續系統模型離散化，形成非線性離散系統模型，非線性離散系統模型的狀態方程與量測方程均為非線性；
[0010]步驟4、針對步驟3中建立的非線性離散系統模型，採用容積卡爾曼非線性濾波器進行濾波，濾波周期與慣性器件的數據更新周期一致，周期為Tf。
[0011]本發明還可以包括這樣一些特徵:
[0012]1.所述的步驟2在載體線速度為零的前提下，根據捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程、慣性器件誤差模型以及以導航坐標系重力加速度矢量為量測量的量測方程，選定9維系統狀態量和3維量測量，建立基於重力加速度矢量匹配的非線性連續系統模型，其狀態方程和量測方程均為非線性，具體為:
[0013]以東北天地理坐標系作為導航坐標系-η系，以載體右前上方向矢量右手定則構成的坐標系作為載體坐標系_b系，假設載體線速度為零。
[0014]捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程為:
[0015]
【權利要求】
1.基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法，包括下列步驟: 步驟1、捷聯慣性導航系統粗對準:根據慣性器件陀螺儀測得的角速度信息和加速度計測得的線加速度信息，忽略慣性器件的測量誤差，使用基於慣性系重力加速度的凝固解析粗對準算法求得粗略的初始縱搖角Θ、橫搖角gamma和航向角V； 步驟2、在載體線速度為零的前提下，根據捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程、慣性器件誤差模型以及以導航坐標系重力加速度矢量為量測量的量測方程，選定9維系統狀態量和3維量測量，建立基於重力加速度矢量匹配的非線性連續系統模型，其狀態方程和量測方程均為非線性； 步驟3、將步驟2中建立的非線性連續系統模型離散化，形成非線性離散系統模型，非線性離散系統模型的狀態方程與量測方程均為非線性； 步驟4、針對步驟3中建立的非線性離散系統模型，採用容積卡爾曼非線性濾波器進行濾波，濾波周期與慣性器件的數據更新周期一致，周期為Tf。
2.根據權利要求1所述的基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法，其中所述的步驟2在載體線速度為零的前提下，根據捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程、慣性器件誤差模型以及以導航坐標系重力加速度矢量為量測量的量測方程，選定9維系統狀態量和3維量測量，建立基於重力加速度矢量匹配的非線性連續系統模型，其狀態方程和量測方程均為非線性，具體為: 以東北天地理坐標系作為導航坐標系-η系，以載體右前上方向矢量右手定則構成的坐標系作為載體坐標系_b系，假設載體線速度為零。 捷聯慣性導航系統的歐拉角微分方程為:
3.根據權利要求1所述的基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法，其中所述的步驟3中將步驟2中建立的非線性連續系統模型離散化，得到非線性離散系統模型，非線性離散系統模型為:
4.根據權利要求1所述的基於重力加速度矢量匹配的非線性初始對準方法，其中所述的步驟4中容積卡爾曼非線性濾波器的濾波步驟為: 1)初始化系統狀態向量及其方差矩陣:

【文檔編號】G01C21/16GK103727940SQ201410017853
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】程向紅, 冉昌豔, 王磊, 馮驥, 周玲 申請人:東南大學