一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法

摘要

本发明属于惯性导航技术领域，为进一步提高捷联惯导系统初始对准的精度与速度，本发明提出了一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法，并建立以速度误差为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为观测量的观测方程，通过卡尔曼滤波技术估计出载体失准角并反馈到系统中完成系统的初始对准。本发明主要优点在于在不改变系统现有硬件结构条件下，充分利用了天线跟踪稳定平台的结构特点进行转动基座初始对准，有利于提高捷联惯导系统的可观测性，从而有效地提高了捷联惯导系统初始对准的对准精度。

主权项

一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法，其特征在于：该方法的实现包括以下步骤：步骤一、将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离为r；步骤二、利用全球定位系统GPS确定载体所在位置的经度λ、纬度L；步骤三、根据所确定的经度、纬度信息以及惯导系统惯性器件的输出进行粗对准，得到惯性测量单元姿态矩阵的近似估计值；步骤四、启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率记为ω，并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数记为n；步骤五、按照步骤三所确定的旋转方案旋转的同时，利用粗对准得到的姿态矩阵、惯性测量单元中陀螺实时输出的角速度信息和加速度计实时输出的比力信息，以更新惯性测量单元的姿态矩阵；步骤六、通过卡尔曼滤波完成捷联惯导转动基座对准，具体步骤如下：转动基座捷联惯导误差建模首先，建立旋转捷联惯导系统的平台误差角方程，旋转捷联惯导从惯性测量单元中获取角速度和比力信息，经过可实现惯性器件敏感系s到载体坐标系b的转换，转换后的捷联解算流程与常规的捷联惯导系统是一致的，因此，其平台误差角方程形式仍为：式中，为失准角矢量，为地球自转角速率在导航坐标系下的投影，为导航坐标系相对于地球坐标系在导航坐标系下的投影，为陀螺等效到导航坐标系下的误差；其次，建立旋转捷联惯导系统的速度误差方程，由比力方程可得速度误差方程为：式中，为载体在导航坐标系下的速度，为加速度计输出的比力；最后，建立旋转捷联惯导系统的位置误差方程，惯导系统位置误差方程为：式中，和分别为东向和北向速度误差，和分别为东向和北向速度，为地球子午圈主曲率半径，为地球卯酉圈主曲率半径，为高度，为载体所在地球纬度；对于旋转基座捷联惯导系统初始对准来讲，可以不考虑轴方向的加速度和速度，即可以认为，，同时捷联惯导系统本身不存在相对于地球的线速度，因此可以略去以上惯导系统误差方程中的有关项，可得旋转基座捷联惯导初始对准系统的误差方程如下：捷联惯导平台误差角简化方程：捷联惯导速度误差简化方程：捷联惯导位置误差简化方程：式中，、和分别为东向、北向和天向平台失准角，为地球自转角速率，、、等效为导航坐标系东北天方向陀螺的误差；惯性器件随机误差在导航坐标系以及惯性器件敏感坐标系之间的关系如下：、，其中，和分别为陀螺和加速度计在导航坐标系下的随机误差，为载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵，为惯性器件敏感系到载体坐标系的转换矩阵，和分别为陀螺和加速度计在惯性器件敏感坐标系下的随机误差；卡尔曼滤波器状态方程与观测方程的建立捷联惯导在初始对准时，移动载体相对于地理坐标系是静止的，由于地理位置信息精确已知，因此可以忽略误差模型中的位置误差；同时考虑到惯导系统的垂直通道不稳定，因此初始对准状态方程中只采用速度误差和加速度误差的水平分量作为状态量，此时系统状态变量的维数可降为10维，惯导系统在导航坐标系下的初始对准误差模型为：式中，为系统的状态向量，为状态转移矩阵，为系统噪声向量；将这些参数写成矩阵形式如下：式中，和分别为东向和北向速度误差，、和分别为东向、北向和天向平台失准角，和分别为轴和轴加速度计偏置，、和分别为轴、轴和轴陀螺常值漂移，，，为姿态矩阵元素，即；取和作为卡尔曼滤波器的观测量时，系统观测方程为：式中，为系统观测向量，为观测矩阵，为观测噪声，服从分布，为观测噪声协方差阵；将所求得的状态方程和观测方程进行卡尔曼滤波，估计出姿态角的误差和惯性器件的零偏，即可完成初始对准。