[发明专利]空天地一体化飞行器的光纤惯导系统及光纤惯导在轨对准方法

权利要求书

1.一种光纤惯导在轨对准方法，适用于空天地一体化飞行器，其特征在于，该方法包含：

空天地一体化飞行器的光纤惯导对三个陀螺和三个加速度计进行中断采样，实时解算获得飞行器的姿态、速度和位置信息，同时周期性接收外界GNSS数据和星敏感器数据；

根据采集的加速度计数据和GNSS速度信息判断飞行器是否处于在轨状态，且在轨对准起始时刻保证该GNSS数据和星敏感器数据同时有效；

将该星敏感器信息和光纤惯导系统解算的姿态统一坐标系后构造姿态匹配量测量，同时根据GNSS数据与光纤惯导速度、位置之差构造速度位置量测量，通过卡尔曼滤波器得到在轨对准结束时刻光纤惯导姿态、速度和位置的初值；

其中在构造量测方程前先统一坐标系，星敏感器输出的姿态矩阵是相对i系的，而光纤惯导输出的姿态矩阵则是相对n系的，星敏感器输出为惯性姿态利用光纤惯导导航结果构造匹配量测构造方式为：

式(3)中n_p和n_c分别表示由计算姿态和计算位置确定的导航坐标系，设真实位置处的导航坐标系为n_t；则(3)式可展开为

将分解为并考虑δθ为位置误差角；

针对在轨对准机制，设置对准故障判断条件和相应阈值，判别出对准故障；

所述的对准故障，包含下列两种之一或者其组合，

a)在轨对准过程中，所述飞行器的光纤惯导与所述GNSS组合滤波修正次数小于在轨对准时间的80％时对准故障；

b)在轨对准过程中，所述飞行器的光纤惯导与所述星敏感组合滤波修正次数小于在轨对准时间的40％时对准故障。

2.如权利要求1所述的光纤惯导在轨对准方法，其特征在于，所述的根据采集的加速度计数据和GNSS速度信息判断飞行器是否处于在轨状态，包括，

判断条件A1,所述空天地一体化飞行器的光纤惯导入轨之后，所述飞行器速度很大而所述光纤惯导加速度计敏感到的加速度较小，则设置在轨的判断条件为：GNSS的速度信息|v^b|1000m/s且所述光纤惯导比力信息|f^b|＜3m/s²。

3.如权利要求1所述的光纤惯导在轨对准方法，其特征在于，所述将该星敏感器信息和光纤惯导系统解算的姿态统一坐标系后构造姿态匹配量测量，同时根据GNSS数据与光纤惯导速度、位置之差构造速度位置量测量，通过卡尔曼滤波器得到在轨对准结束时刻光纤惯导姿态、速度和位置的初值，包括，

选取北-东-地坐标系为导航参考系n系，前-右-下坐标系为载体坐标系b系，惯性坐标系为i系；

通过卡尔曼滤波，获得在轨对准结束时刻光纤惯导姿态、速度和位置的初值，选择误差状态为：姿态失准角φⁿ，速度误差位置误差δp_ins，陀螺常值零偏ε^b，加速度计常值偏置

4.如权利要求3所述的光纤惯导在轨对准方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波，包括，

建立15维卡尔曼滤波器状态变量，如下式(1)：

利用接收到的所述的GNSS数据与光纤惯导速度位置之差，构造出光纤惯导/GNSS卡尔曼滤波量测量，所述量测的量测方程为：

式(2)中p_ins分别为光纤惯导的速度和位置值；p_gnss分别为GNSS秒脉冲t_P时刻的速度和位置量测量；w_v和w_p分别为速度、位置量测噪声。

5.如权利要求4所述的光纤惯导在轨对准方法，其特征在于，位置误差角δθ在北-东-地坐标系下为

6.如权利要求3所述的光纤惯导在轨对准方法，其特征在于，

设星敏感器量测误差为v_cns，则输出的惯性姿态可表示为

利用和构造量测匹配矩阵，

从(8)式中提取量测量

可得量测方程为

7.一种适用于权利要求1-6中任意一项权利要求所述光纤惯导在轨对准方法的空天地一体化飞行器的光纤惯导系统，其特征在于，包含如下模块：

计算模块，实时解算获得飞行器的姿态、速度和位置信息；

接收模块，周期性接收外界GNSS数据和星敏感器数据；

判别模块，连接所述计算模块和所述接收模块，根据采集的加速度计数据和GNSS速度信息判断飞行器是否处于在轨状态，同时在轨对准起始时刻保证所述的GNSS数据和星敏感器数据同时有效；

测量模块，连接所述计算模块和所述接收模块，利用所述的星敏感器信息和光纤惯导系统解算的姿态构造姿态匹配量测量，同时根据GNSS数据与光纤惯导速度、位置之差构造速度位置量测量；

卡尔曼滤波器模块，连接所述测量模块，并且在判别飞行器是否处于在轨状态下生效，将该星敏感器信息和光纤惯导系统解算的姿态统一坐标系后构造姿态匹配量测量，同时根据GNSS数据与光纤惯导速度、位置之差构造速度位置量测量，通过卡尔曼滤波器得到在轨对准结束时刻光纤惯导姿态、速度和位置的初值；

反馈模块，针对在轨对准机制，提出对准故障判断条件，设置相应阈值，判别出对准故障。