[发明专利]一种船用星敏感器辅助陀螺仪在线标定方法

说明书

本发明公开了一种船用星敏感器辅助陀螺仪在线标定方法，涉及惯性导航中惯性传感器误差标定技术领域。本发明包括以下步骤：(1)初始化星敏感器/惯性组合导航系统；(2)采集惯性器件和星敏感器输出数据；(3)对惯性器件进行解算，得到姿态四元数和导航信息；(4)得到载体姿态四元数的真实值；(5)利用模糊逻辑控制方法确定简化Sage‑Husa自适应滤波方法中遗忘因子，再对载体姿态四元数信息进行滤波计算；(6)将陀螺输出误差对陀螺输出角速度信息进行补偿，并进行导航解算；(7)存储并输出导航信息。本发明增强了船用星敏感器辅助陀螺仪在线标定在复杂环境中的适用性，减小了测量噪声误差估计不充分的问题；有效提高了星敏感器的定姿精度。

技术领域

本发明涉及惯性导航中惯性传感器误差标定技术领域，具体涉及一种基于遗忘因子自适应选择Sage-Husa滤波的船用星敏感器辅助陀螺仪在线标定方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统中姿态测量的核心传感器，可以直接敏感载体系相对惯性系的角速度，但其输出误差是导致惯性导航系统的导航误差主要原因之一，若可以在载体航行过程中准确的估算出陀螺输出误差，此部分导航误差就可以得到较好的抑制，因此对陀螺仪进行在线标定是重要的。传统的陀螺仪在线标定是利用GPS信号作为外部信息源估计陀螺误差，但GPS信号易受环境的干扰和欺骗而失灵。星敏感器是一种通过观测星体获得载体相对惯性系姿态的高精度传感器，其精度可达到角秒级别，具有动态稳定性好，抗干扰能力强，其测量误差不随时间累积等优点，使得在航海领域得到广泛的应用。因此，以星敏感器输出信息为基准，对陀螺仪进行在线标定，进而提高惯性导航系统姿态精度，使其长期、连续输出高精度姿态信息。然而，舰船航行过程中外界环境发生变化，进而引起星敏感器测量噪声统计特性发生变化，造成滤波器工作不稳定，降低滤波精度。

为了提高滤波精度，常采用简化的Sage-Husa滤波方法对组合导航系统进行滤波，该方法利用测量信息不断修正预测值，对测量噪声统计参数进行估计与修正，有效的解决了实际系统中噪声统计特性发生变化的问题，提高了系统的环境适应性。虽然简化的Sage-Husa滤波方法能够较好的抑制测量噪声统计特性发生变化时的滤波精度下降的问题，但是当系统环境变化情况复杂时，由于量测噪声统计特性参数修正时间短，进而导致噪声统计特性未得到较好的跟踪，造成滤波发散的现象。

《系统工程与电子技术》2012年第34卷第八期由高伟等人撰写的《CCD星敏感器辅助光纤陀螺在线标定技术》一文中，利用星敏感器输出高精度的姿态信息，将模型预测滤波与EKF结合可在线估计出陀螺输出误差，提高导航精度；《Sensors》2017年17卷第一期由杨延强等人撰写的《Local Observability Analysis of Star Sensor InstallationErrors in a SINS/CNS Integration System for Near-Earth Flight Vehicles》一文中，基于SINS与星敏感器之间的安装误差一直是制约SINS/CNS实际精度的主要因素之一，利用卡尔曼滤波对星敏感器安装误差进行精确估计，提高导航系统精度；公开号CN101943585A的中国发明专利在2011年1月12日公开的《一种基于CCD星敏感器的标定方法》，该方法在短时间内可以达到稳定的标定结果，不需要进行任何机动措施，便可以估计出陀螺常值漂移和加速度计零偏。《宇航学报》2011年32卷第五期由杨波等人撰写的《长航时环境下高精度组合导航方法研究与仿真》一文中针对长航时环境下可能面临量测噪声统计特性的不确定问题，采用简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行组合导航滤波设计，提高系统的精度及鲁棒性；《计算机系统应用》2015年第24卷第八期由孙会敏等人撰写的《有色噪声下的平方根UKF在天文自主导航中的应用》一文中针对传统的平方根UKF不能很好地解决测量噪声为有色噪声情况下的非线性滤波问题，提出了一种有色噪声情况下的平方根UKF方法，能够很好地解决估计精度低的问题。以上文献都在利用星敏感器辅助陀螺仪进行在线标定，以及抑制星敏感器测量噪声发生变化时的估计误差，并没有提及环境变化复杂时对陀螺仪在线标定精度及适应性的影响。

发明内容