[发明专利]基于横向地理坐标系的虚拟极区方法

说明书

本发明公开了一种基于横向地理坐标系的虚拟极区方法，用于解决现有虚拟极区方法适用性差的技术问题。技术方案是保持横向地理系下的姿态矩阵、速度和高度信息不变，通过对补偿椭球校正系数后的横向速度积分重构极区位置轨迹；将非极区试验获得的陀螺和加速度计数据在横向地理坐标系下扣除当地地球自转角速率和重力加速度，并叠加虚拟极区的地球自转角速率和重力矢量，完成惯性传感器数据的极区重构。本发明在横向地理坐标系下重构极区轨迹数据和惯性传感器数据，使载体相对于当地水平面的运动特征保持不变，扩大了适用区域，能够适用于地球表面除横向极点外的任意位置；通过椭球校正系数避免了圆球近似，提高了建模精度。

技术领域

本发明涉及一种虚拟极区方法，特别涉及一种基于横向地理坐标系的虚拟极区方法。

背景技术

由于地球两极独特的地理位置，导航算法研究人员很难有机会到极区进行实际试验验证，而纯数学仿真方法又难以真实反映载体的运动特征和惯性传感器误差。因此，研究基于真实试验数据的虚拟极区技术具有重要意义，能够将中低纬度地区的试验数据通过数学方法转换至极区进行等效的导航试验验证。

文献“基于虚拟极点验证极区导航算法的方法研究，IEEE中国制导、导航与控制学术会议，2016，p2809-2814”公开了一种以赤道上任意一点为新极点的虚拟极区方法。该方法通过地理坐标系与横向地理坐标系之间的相互关系，将地球自转轴转换至赤道以建立虚拟极区，并采用横向游移导航编排进行了合理性验证。但是，文献所述方法仅能够将赤道附近区域虚拟为极区，要适应地球表面其它区域还需要进行繁琐的算法推导。此外，文献所述方法将地球近似为圆球模型，采用高斯曲率半径作为圆球半径，存在原理性误差，不满足高精度导航验证的需求。

发明内容

为了克服现有虚拟极区方法适用性差的不足，本发明提供一种基于横向地理坐标系的虚拟极区方法。该方法保持横向地理系下的姿态矩阵、速度和高度信息不变，通过对补偿椭球校正系数后的横向速度积分重构极区位置轨迹；将非极区试验获得的陀螺和加速度计数据在横向地理坐标系下扣除当地地球自转角速率和重力加速度，并叠加虚拟极区的地球自转角速率和重力矢量，完成惯性传感器数据的极区重构。本发明在横向地理坐标系下重构极区轨迹数据和惯性传感器数据，使载体相对于当地水平面的运动特征保持不变，扩大了方法的适用区域，能够适用于地球表面除横向极点外的任意位置；通过椭球校正系数避免了圆球近似，提高了建模精度，从而达到与真实极区试验相同的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于横向地理坐标系的虚拟极区方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、极区轨迹数据重构。在非极区，将地理坐标系下惯性/卫星组合导航的结果作为参考信息，包含姿态矩阵速度v^g和位置p^g。将姿态矩阵和速度信息转换至横向地理坐标系：

式中，和为横向地理坐标系下的姿态矩阵和速度，为横向方位角转换矩阵。转换过程中保证横向地理坐标系下的姿态和速度信息不变，即将和直接作为虚拟极区轨迹的姿态矩阵和速度。将地理坐标系高度h作为重构轨迹的高度

符号“*”表示重构的极区轨迹相关参数。考虑地球曲率的影响，位置方向余弦矩阵通过求解微分方程获得

将式中矩阵的积分初值记作其计算方法为

其中表示人为指定的极区轨迹起点处的横向经纬度。

公式(4)中位置牵连运动角速率计算方法如下：

式中，和表示补偿椭球校正系数后的极区横向地理坐标系速度