[发明专利]基于重力矢量时间差分的惯性导航设备对准方法

说明书

本发明属于导航技术领域，涉及一种基于重力矢量时间差分的惯性导航设备对准方法，包括：1)建立任意惯性坐标系，根据陀螺的实时输出，对惯性坐标系到机体系之间的变换矩阵进行实时更新，保证惯性坐标系相对于惯性空间静止，惯性坐标系自动隔离了包括地球自转角速度在内的外界任何角运动；2)算出重力在惯性坐标系中的重力矢量方向；在惯性坐标系中确定任意时刻天向和东向的实时值；3)得到东北天地理坐标系与惯性坐标系的转换关系，确定东北天地理坐标系与机体系的变换矩阵，即姿态矩阵，完成初始粗对准。本发明提供了一种能很好地解决初始对准精度不够及耗时过长等难题的基于重力矢量时间差分的惯性导航设备对准方法。

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种导航设备的对准方法，尤其涉及一种基于重力矢量时间差分的惯性导航设备对准方法。

背景技术

舰船在系泊状态或航行过程中会因风浪的干扰而处于摇摆状态以及现代战争要求陆地军用车辆具有快速启动，但在风吹和地面松软等情况下，捷联惯性导航系统(一种不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统)的陀螺仪和加速度计输出包含了因舰船、车辆摇摆而产生的干扰信息，特别是导弹发射车重心较高，摆动幅度明显增大，此时初始对准就不能采用静基座对准方法。

初始对准(惯性导航系统开始导航之前的工作状态，一般进行了坐标系对准、初始参数的测定，将平台调整在给定的导航坐标系(导航时根据导航系统工作的需要而选取的作为导航基准的坐标系)上)是惯性导航系统能够正常解算运行的关键阶段，指在系统进入工作状态之前建立导航所必需的初始条件，对准的精度直接影响了惯导导航系统的性能。惯导导航系统的初始对准通常分为粗对准和精对准阶段。粗对准为精对准提供一定精度的初始条件，保证精对准的快速性。普通的粗对准不能满足摇摆状态下的粗对准需求。主要原因是在于载体的干扰角速度，另一个次要原因是在于载体的干扰加速度。其中初始对准原理是：根据相应的敏感器件数据，通过算法实现姿态与方位角的解算。传统方法在粗对准结束后采用滤波方式进行初始精对准，即惯导系统安装在载体上后，不考虑载体特性，只考虑自身，进行自主性对准，受初始失准角的限制，对准精度差，可观测性差。为了提高导航精度实现更高精度的初始对准，各类研究人员和工程人员始终关注动基座，环境相对较复杂情况下的初始对准技术，现阶段相关技术包括了适用于动基座的基于惯性凝固系的粗对准，基于方差分量估计的自适应容积卡尔曼滤波技术，无迹卡尔曼滤波(UKF)和线性卡尔曼滤波(KF)初始对准方法等。

其中：

基于方差分量估计(Variance Component Estimation，VCE)的自适应容积卡尔曼滤波，抑制系统非线性和不确定性问题对舰船SINS初始对准精度及导航精度的影响，完成舰船的高精度初始对准，但消耗时间过长，解算麻烦，干扰角速度误差未能完全消除。

为提高捷联惯导系统在晃动基座(初始对准时物体处于运动状态)下初始对准的快速性和精度，提出了一种基于四元数的捷联惯导惯性系晃动基座自对准算法。该算法利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化，通过四元数(能够解决空间中角度转动的一种简单超复数)推导将初始姿态的最优估计转化为姿态确定问题，以消除角晃动干扰的影响；并根据惯性系下重力矢量和晃动干扰加速度不同频的特点，引入小波阈值消噪以消除线振动干扰的影响，从而提高算法在晃动基座下的对准精度。但此方法计算麻烦，很难计算机较好实现。

由于动基座下载体运动状态复杂，初始失准角的三个分量往往都很大，在这种情况下，捷联惯性导航系统的失准角误差微分方程、速度误差微分方程的非线性程度均很高，采用扩展卡尔曼滤波法(EKF)对姿态失准角进行估计效果有限。而无迹卡尔曼滤波法(UKF)能够对非线性问题有很好的处理效果并且状态更新迭代过程与线性卡尔曼滤波算法类似。但是，相比于线性KF，UKF需要耗费更多的计算量，并且UKF收敛速度较慢。

晃动基座捷联惯导系统初始对准迭代方法由惯性导航计算出水平速度误差，利用最小二乘法估算出水平角速度误差、姿态误差和航向误差，然后进行迭代计算，从而算出导航初始时刻的姿态和航向，操作简单，但精度不够，对干扰角速度影响不能有效避免。