[发明专利]卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法

说明书

一、技术领域

本发明属于惯性导航系统的初始对准技术领域，尤其是动机座条件下的初始姿态自对准及其仿真验证技术。

二、背景技术

初始对准是惯性导航系统特有的一个工作状态和过程，其功能给定初始速度、初始位置，初始姿态。初始速度、初始位置的给定比较容易，快速获取高精度初始姿态是初始对准的关键和难点。通常，初始对准主要指姿态对准。根据对准方式的不同，姿态对准分为自对准和建立在主/子惯导信息传递基础上的传递对准。姿态自对准主要是在系统静止的情况下进行的，以地球重力方向作为水平姿态基准，利用地球自转角速度作为方位基准。

从已有技术看，以往的空中对准主要是传递对准，应用对象主要是机载武器。在空中飞行中实现初始姿态自对准，尤其是在任意动态条件下的初始对准则鲜有研究，这主要是因为空中动态条件下对准的难度较大和实际工程系统的需求较少。

空中对准应用和研究的国内外公开文献较少，主要包括：

(1)1998年8月美国航空宇航学导航、制导与控制会议(AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference)编号为AIAA-98-4416的论文“Assesment of integrated GPS/INS for the EX-171 Extended RangeGuided Munition”和1997年美国Draper实验室第期刊发表的论文“AGPS/INS Guidance System for Navy 5 Projectiles”提级美国制导炮弹中惯性/GPS组合导航系统采用了空中姿态对准的方法，但关于这一关键技术，相关的文献中均没有公布技术原理和细节；

(2)国内方面，2007年10月，第15卷第52期《中国惯性技术学》(568-572页)刊登论文“基于GPS观测量和模型预测误差的机载SINS/GPS空中对准”，2007年11月，第28卷第6期《航空学报》(1395-1400页)刊登论文“大失准角下MIMU空中快速对准技术”。这两篇论文中主要讨论空中对准的滤波问题，这一滤波问题是粗对准后的精对准阶段，对于初始时刻的姿态获取，即空中粗对准，则要求对飞机的动态过程提出了额外要求，采用静态下加速度计敏感重力加速度确定姿态的原理，来实现空中飞行中的粗对准。

(3)对美国和我国现公开的专利情况查询表明，没有空中对准，尤其是空中粗对准方面的专利。

综合以上国内外专利和公开文献的情况，涉及空中对准时，一般处理方法是通过对飞行动态过程进行约束，使飞行器飞行尽量平稳，将空中动机座对准问题简化，假设加速度计只敏感重力加速度，采用静机座下利用直接利用加速度计输出与重力加速度之间的比值来确定粗略的初始水平姿态，再在后续飞行中采用滤波的方法进行补偿。粗对准中对飞行动态多处的约束和近似的静态化处理大大限制了方法的适用性，且不能用于大机动条件下的空中对准，而大机动条件恰恰是空中对准问题必须要满足的。

随着新一代军用、民用航空飞行器对可靠性要求的进一步提高，使捷联惯性导航系统具备空中重启动能力是确保飞行器在某些故障/危急状态中恢复运行的关键，此外对于某些制导化武器，是在发射之后才开始上电工作的，其工作过程的第一步便需要在空中高速高动态飞行条件下，确定导航系统的初始参数。

三、发明内容

本发明的主要目的是，解决飞机、导弹等运动载体中捷联惯性导航系统在空中飞行中的初始对准问题，在对飞行动态过程和飞行平稳性不加任何限制条件的情况下，获得初始的位置、速度和姿态信息。本发明特别适用于飞行中飞行器发生故障，卫星/惯性组合导航系统重启动时的获取初始导航信息，也特别适用于某些特殊飞行器，如制导炮弹等必须在起飞后才能开始上电工作的系统。

一、空中粗对准方法

机载卫星/惯性组合导航系统综合利用卫星和惯性测量信息，通过惯性导航系统比力方程建立关于姿态的精确关系表达式，利用数值求解算法，实现空中对准，其特点在于本方法通过以下步骤实现：

(1)卫星导航接收机定位数据采集：组合导航计算机以周期T_G持续从与卫星导航接收机相连的接口读取卫星导航接收机输出的特定格式的导航信息，并进行解读，取得飞行器的实时三维位置、三维速度和航迹方位角，其中，三维位置包括经度λ，纬度L和高度H，当地地理坐标系下的东向速度V_E、东向速度V_N和东向速度V_U，航迹方位角ψ；