[发明专利]一种分布式惯性导航系统及其姿态传递对准方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式惯性导航系统及其姿态传递对准方法，属于惯性导航定位技术领域。

背景技术

传递对准是指载体在航行时，载体上需要对准的子惯导系统利用高精度的主惯导系统信息进行初始对准的方法。

传递对准是新一代快速反应、机动发射武器系统的关键技术，它的成功应用可以极大的提高武器系统的反应速度和防区外攻击能力，载体需要获得连续可靠的惯性信息，在载体结构变形较严重的环境下，对载体变形估计可以提高如武器系统、瞄准系统等机载子系统的对准精度，进而提高子系统的整体性能。

近年来，飞行器上高速数据通讯网络使机载电子设备分布集成结构引入到现代飞行器系统，再加上现代作战飞行器对惯性信息更强的依赖和更高可靠性需求促成了惯性网络系统的研究和发展。为确保作战飞行器安全飞行和顺利完成指定任务需要飞行器多个位置如飞行器重心、飞行器前身和武器舱等的可靠惯性信息。惯性网络是一种惯性技术的新型应用，极具发展和应用前景。该网络基于捷联惯性技术、微型惯性器件技术等技术，将满足飞行器等高可靠性、高精度和低成本方面的需求，同时也为传递对准提供了新的技术途径。

目前，国内对惯性网络相关算法还少有研究，只在研究传递对准和挠曲变形的部分文献中有提及。郭隆华和王新龙的《机载武器传递对准精确建模方法研究》对影响机载武器传递对准性能的各种因素进行了精确建模及全面分析，提出了机翼弹性变形的三阶随机过程模型，同时，研究了一种“速度积分+角速率”匹配的传递对准方法，但该方法需要飞行器有特定的飞行轨迹，有失广泛应用性；文献Yafeng Wang,Fuchun Sun,Youan Zhang,et al.Central Difference Particle Filter Applied to Transfer Alignment for SINS on Missiles[J].Aerospace and Electronic Systems,IEEE Transactions on,2012,48(1):375-387针对对准模型的非线性和陀螺漂移的非高斯分布，提出中心差分粒子滤波算法，提高对准的速度和精度，但算法较复杂，加大了计算量；孙昌跃、王司、邓正隆的《舰载武器惯导系统对准综述》在传递对准发展趋势中明确提出构建惯性网络，即用主惯导系统和各子惯导系统准确及时的惯导信息，解决结构挠曲变形和振动的不利影响，但其仅指出运用惯性网络进行传递对准的方向，并未具体提出对准算法方案。

此外，TRIAD算法解算变形角实时性很好，但是解算出的变形角受噪声影响很大；而惯性测量匹配算法解算变形角受噪声影响小，但是需要给定变形角的初值，且随着时间的累积变形角误差发散。

发明内容

本发明要解决的是现有的导航系统结构或者运用的算法复杂，其运用的算法有的由于受噪声影响而导致误差较大，有的随着时间的累积变形角误差发散，也会导致计算误差较大。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种分布式惯性导航系统，包括一个主节点和n个子节点构成的网络拓扑结构，前述n≥2的自然数；所述主节点包括惯导单元和天文单元，子节点包括惯导单元；前述惯导单元即IMU，其内设置三轴加速度计和陀螺组件，所述天文单元包括星敏感器；各节点之间通过IMU输出端口连接外设的处理器，并以此进行信息共享，星敏感器的输出端也连接外设的处理器。

将主节点和n个子节点分布式的配置在载体的不同空间位置，共同构成完全的分布式惯性网络结构；该网络结构具有高容错性和强鲁棒性，且成本较低，能提高惯导系统的性能，各节点可以与其它节点进行通信，各个节点的信息在网络结构中共享；其中，主节点的信息融合算法提供导航状态信息和惯性状态向量，子节点的信息融合算法提供局部状态向量信息；由于载体的整体结构，各节点的测量和估计信息并不是完全独立的，根据各节点之间的关系，可以充分利用传感器网络的测量信息，进行不同惯性系统的对准、动态标定、检测或隔离系统故障等，将大大提高惯导系统的性能；此外，天文单元导航误差不随时间增长，星敏感器测量精度在导航全程保持稳定，现有最高精度可以达到角秒级，但天文单元统在应用时受到可观测星光条件的约束，在较低空领域无法准确获得星光信息，无法实现对无人机的全程高精度导航，因而将其作为一种重要的导航辅助手段，与惯导单元一起共同完成主节点的导航任务。三轴加速度计安装在同一个节点的三轴上，用于测量IMU上三个不同点处的加速度。

为降低系统生产成本，主节点的惯导单元采用高性能IMU，子节点的惯导单元采用低性能IMU。