一种动基座SINS大方位失准角条件下初始对准方法

摘要

本发明公开了一种动基座SINS大方位失准角条件下初始对准方法。利用GPS信息确定载体的初始位置参数，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据，运用解析法来完成动基座SINS的粗对准，初步确定载体的姿态信息。建立动基座SINS在大方位失准角情况下的非线性状态方程，并建立动基座条件下以速度误差为观测量的量测方程，利用CKF算法估计出平台失准角，利用平台失准角修正系统的捷联初始姿态矩阵，从而得到精确的捷联初始姿态矩阵，从而完成动基座SINS的精对准过程。本发明可以大幅提高SINS在动基座且方位为大失准角情况下的初始对准精度，为导航过程提供了更加准确的初始姿态矩阵。

主权项

一种动基座SINS大方位失准角条件下初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用GPS信息确定载体的初始位置信息，根据光纤陀螺捷联惯导系统预热后采集光纤陀螺仪和石英挠性加速度计的输出数据，完成捷联惯导系统的粗对准，确定惯导系统初始姿态信息，所述惯导系统初始姿态信息包括纵摇角θ，横摇角γ和航向角ψ；(2)建立动基座SINS大方位失准角下的非线性误差模型；SINS非线性姿态误差方程为：$\stackrel{·}{\phi }=(I-{\left(C_n^{n^{\prime }}\right)}^T){\omega }_{\mathrm{in}}^{n^{\prime }}+\delta {\omega }_{\mathrm{in}}^n-C_b^{n^{\prime }}({ϵ}^b+w_g^b)$其中φ＝[φ_x φ_y φ_z]^T为失准角，表示计算导航坐标系n′与导航坐标系n之间的转动角度，n系到n′系的方向余弦矩阵用表示；为载体系b系到计算导航坐标系n′系的方向余弦矩阵；为导航系n系相对于惯性系i系的转动角速度在计算导航系n′系上的取值，为的计算误差；ε^b为陀螺仪的常值漂移误差，为其零均值高斯白噪声；大方位失准角条件下的有：$C_n^{n^{\prime }}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\phi }_z& \sin {\phi }_z& -{\phi }_y\\ -\sin {\phi }_z& \cos {\phi }_z& {\phi }_x\\ {\phi }_y\cos {\phi }_z+{\phi }_x\sin {\phi }_z& {\phi }_y\sin {\phi }_z-{\phi }_x\cos {\phi }_z& 1\end{array}\right]$动基座下速度误差方程为：$\delta \stackrel{·}{v}=[I-{\left(C_n^{n^{\prime }}\right)}^T]C_b^{n^{\prime }}{f}_{\mathrm{ib}}^b+C_b^n({▿}^b+w_a^b)-(2{\omega }_{\mathrm{ie}}^{n^{\prime }}+{\omega }_{\mathrm{en}}^{n^{\prime }})\times \mathrm{\delta v}-(2\delta {\omega }_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\delta \omega }}_{\mathrm{en}}^n)\times v+\mathrm{\delta g}$其中，为加速度计测量值；为载体系到导航系的方向余弦矩阵，其每个元素表示为C_ij(i，j＝1，2，3)；为陀螺仪的常值漂移误差，为其零均值高斯白噪声;为地球自转角速度在计算导航系的取值，为地理系相对地球系的转动角速度在计算导航系的取值，和分别为和的计算误差；δv为速度误差，δgⁿ为重力加速度计算误差；(3)建立SINS在动基座条件下的非线性滤波方程：考虑经纬度误差、水平速度误差、失准角、水平加速度计零偏和陀螺仪常值漂移，则取12维状态向量：其中分别为经度误差和纬度误差；δv_x，δv_y分别为东向速度误差和北向速度误差；φ_x，φ_y，φ_z分别为x，y，z轴向的失准角；分别为x,y轴向的加速度计零偏；ε_x，ε_y，ε_z分别为x，y，z轴向的陀螺常值漂移；将位置误差方程、速度误差方程和姿态误差方程展开，可以得到如下SINS动基座大方位失准角情况下的状态方程：$\stackrel{·}{X}=F\left(X\right)+\mathrm{GW}$式中W为系统噪声向量，$G=\left[\begin{array}{cccc}{0}_{2\times 2}& 0_{2\times 2}& 0_{2\times 3}& 0_{2\times 5}\\ 0_{2\times 2}& G_1& 0_{2\times 3}& 0_{2\times 5}\\ 0_{3\times 2}& 0_{3\times 2}& G_2& 0_{3\times 5}\\ 0_{5\times 2}& 0_{5\times 2}& 0_{5\times 3}& 0_{5\times 5}\end{array}\right],$$G_1=\left[\begin{array}{cc}{C}_{11}& C_{12}\\ C_{21}& C_{22}\end{array}\right],$$G_2=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]$其中R_M，R_N分别为地球子午面半径和卯酉面半径，为当地地理纬度，C_ij(i，j＝1，2，3)为方向余弦矩阵的相应元素；以SINS与DVL的速度之差为观测量，建立量测方程：Z＝HX+V其中Z为系统的量测向量，H为量测矩阵，V为量测噪声；利用CKF对动基座SINS的非线性状态进行估计，估计出失准角；(4)利用步骤(3)中估计出的失准角来修正系统的捷联初始姿态矩阵，得到精确的捷联初始姿态矩阵，从而完成动基座下的精对准过程。