[发明专利]组合导航中的姿态角计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及导航领域，具体而言，涉及组合导航中的姿态角计算方法。

背景技术

依靠地图进行行军作战，或者是旅游勘探已经是常规的方式了。使用地图的目的就是朝向目标的位置前进，利用地图进行导航也是最原始的导航方式。其中，进行导航的基础是获取两个要素，第一是目标的位置，第二是获取自身的位置。随着通讯技术与信息处理技术的进步，出现了两种新的导航方式，惯性导航技术和空间星导航技术，这两种方式也都是重在精确的获取自身的位置。

惯性导航技术是现代科学技术中一门尖端的技术学科，在航空、航天、航海的军事领域以及许多民用领域都得到了广泛应用。

惯性导航中的捷联惯导系统结构简单，相对而言，体积小、重量轻、成本低，具有很高的可靠性。它是一种真正意义上的自主式导航系统，输出信息连续，自主地提供加速度、速度、位置和角速度、姿态角等信息，完全依靠自身设备自主地完成导航任务，不和外界发生任何光电联系。因此，它具备隐蔽性好、不受外界干扰、不受时间地域和气候条件限制等诸多优点。但是捷联惯导系统的导航误差随时间积累而增大。

具体而言，依据惯性进行导航，其主要利用惯性元件(加速度计)来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性测量单元。3个单自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动；3个加速度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照陀螺仪和加速度计在运载体上的安装方式，分为平台式惯性导航系统(陀螺仪和加速度计安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上)。

另一种，卫星定位系统的出现为空间导航定位技术带来革命性的发展。卫星接收机具有较高的导航定位精度且不随时间增长而降低，其不足之处在于数据刷新率低、易受干扰、动态环境下或受遮挡时容易丢星导致定位中断。以美国的GPS卫星导航为例对空间导航中的定位进行描述，美国的GPS卫星导航系统共有24颗GPS卫星，且这24颗卫星均在离地面2万零2百公里的高空上，每颗卫星均以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X、Y和Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度较低。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高一个数量级。

由于前两种导航方式在确认自身位置的时候有均有一定的不足之处，因此产生了新的导航方式，也就是组合导航。组合导航算法将捷联惯导系统和卫星接收机的信号以卡尔曼滤波方式最优融合，取长补短，弥补卫星接收机信号存在死区、惯导误差随时间而增长的缺点，使得组合后的系统既能保证精度，又能提高可靠性和抗干扰能力。在这种融合方法中，将速度、位置作为观测量，根据系统误差状态方程，利用卡尔曼滤波递推估计误差值。

传统算法中，当采用组合导航算法的运动载体(自身)俯仰角很大时，捷联惯导系统解算的数学平台接近于失去一个自由度，导致航向角、俯仰角和滚动角这种导航角的计算误差很大，并直接导致速度误差很大。而组合导航算法中的卡尔曼滤波要求状态方程模型准确，航向角、滚动角和速度误差很大导致的模型误差使得卡尔曼滤波的递推状态估计和真实状态之间的偏差越来越大，从而导致组合导航系统性能急剧恶化。