[发明专利]一种基于卡尔曼滤波的横坐标系捷联惯导系统阻尼算法

说明书

本发明提出了一种基于卡尔曼滤波的横坐标系捷联惯导系统阻尼算法，属于极区导航技术领域，通过建立横坐标系下卡尔曼滤波误差模型，估计水平姿态误差角，利用反馈校正不断校正水平姿态误差角，从而抑制姿态、速度和位置误差中的舒勒振荡，实现卡尔曼滤波外水平阻尼。根据外速度有效性判据判断外速度信息的可靠性；并根据判断结果确定当前捷联惯导系统的运行状态，直到外速度信息有效时，系统从无阻尼切换至阻尼状态；最后待卡尔曼滤波稳定后，将估计的水平姿态误差角不断地进行反馈校正，从而抑制姿态、位置和速度误差中的舒勒振荡，实现极区卡尔曼滤波外水平阻尼。本发明不仅能实现极区外水平阻尼，还能抑制阻尼切换过程产生的超调误差。

技术领域

本发明属于极区导航技术领域，涉及一种适用于极区的捷联惯性导航系统(SINS)阻尼算法，具体涉及一种基于卡尔曼滤波的横坐标系捷联惯导系统阻尼算法。

背景技术

由于极区特殊的地理环境，一般的导航方法如卫星导航、无线电导航、地磁导航都无法正常工作，捷联惯导系统以其具有自主性、连续性和全球性成为了极区导航的首选。随着纬度的升高，极区存在经线收敛过快和北向失去定义等问题，常用的指北方位惯导系统在极区无法正确解算出相关的导航信息。

为了解决这个问题，极区惯性导航系统，如游移方位惯导系统、自由方位惯导系统和横坐标系惯导系统等逐渐发展起来。其中游移方位惯导系统和自由方位惯导系统虽然能完成姿态和位置方向余弦矩阵计算，但是游移角和经度的提取仍然存在奇异值。横坐标系惯性导航系统通过重新定义横地球坐标和横地理坐标系，巧妙地解决了惯性导航系统在极区位置和姿态的解算问题。

捷联惯导系统在极区的惯导解算仍然包含三种周期性振荡：舒勒振荡、傅科振荡和地球振荡。对于长时间运行的载体而言，需要采用阻尼等方法来消除这些周期性振荡，以提高惯导解算精度。对于横坐标系捷联惯导系统，采用基于阻尼网络的全阻尼导航算法能够有效抑制舒勒振荡、傅科振荡和地球振荡。针对有外部信息定期进行校正的系统，采用基于阻尼网络的外水平阻尼算法来抑制舒勒周期振荡就能有效提高系统的导航精度。但是这种基于阻尼网络的算法一般存在两个主要问题：一是根据运动状态不同，阻尼网络参数难以确定，需要反复尝试；而是当外速度信息存在误差时，无阻尼切换到阻尼状态会打破系统平衡，带来较大的超调误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于极区的基于卡尔曼滤波的横坐标系捷联惯导系统阻尼算法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种基于卡尔曼滤波的横坐标系捷联惯导系统阻尼算法，通过以下步骤实现：

(1)建立横坐标系捷联惯导力学编排，获得横坐标系下的运动学方程：

其中，表示载体坐标系b到横导航坐标系的方向余弦矩阵；为载体的对地速度在横导航系下的投影；为载体在横坐标系下的位置矢量；为地球自转角速度在横导航系下的投影；为横导航系相对于横地球坐标系e的旋转角速率在横导航系下的投影；g为当地重力加速度大小；R为地球半径；R_c为位置方向余弦矩阵；为捷联惯导系统陀螺仪输出；f^b为加速度计输出；

(2)根据运动学方程，针对舰船使用的横坐标系捷联惯导系统，建立横坐标系捷联惯导系统的状态方程和量测方程：

Z＝HX+η

其中A为状态转移矩阵；状态变量为为系统噪声；B为系统噪声驱动阵；H为观测阵；η为量测噪声；

(3)建立多普勒计程仪速度信息有效性判据，判断外速度信息有效性是否发生改变；其中，多普勒计程仪为Doppler velocity log，DVL；