[发明专利]一种基于梯度下降优化的静基座快速对准方法

说明书

本发明公开了一种基于梯度下降优化的静基座自对准方法。首先，利用自身加速度计和陀螺信息建立相应模型替代纬度信息实现导航系下地球自转角速度矢量的估计算；其次，为提高噪声抑制能力，将静基座无纬度对准问题转化为Wahba姿态确定问题，利用多量测矢量构建最小二乘意义下的目标函数；最后，利用批量梯度下降优化得到目标函数的最小二乘解，使得在每次姿态四元数更新后能够充分利用之前所有量测信息更新目标函数，保证目标函数只与最新姿态四元数相关，从而加快对准收敛速度。本发明解决了舰船在纬度未知情况下的快速高精度对准问题。

技术领域

本发明涉及捷联惯导技术领域，特别是涉及一种基于梯度下降优化的静基座快速对准方法。

背景技术

惯性导航系统是一种基于惯性原理的自主式导航系统。捷联惯导系统将陀螺和加速度计直接固连在运载体上来测量运载体的角运动和线运动信息，经过积分运算推算出运载体相对于地球的速度、位置以及姿态和航向信息。初始对准是捷联惯导系统的一项关键技术，对准的精度直接影响到导航系统的精度，而完成对准的时间则直接影响到系统的快速反应能力。

针对静基座对准这一较为简单的应用条件，传统静基座对准算法研究相对成熟，且算法理论对准精度接近器件误差的极限值。虽然传统惯性系动基座对准方法能够用于静基座对准，但是其对准时间长，且对准误差会随时间增长，使得其对准精度不如传统静基座解析式对准方法。此外，解析式对准利用地球自转角速度和重力加速度矢量的空间关系来直接确定初始姿态矩阵，具有原理简单、对准速度快，且满足任意姿态条件下的初始对准要求等优点，但同时也存在对准精度容易被器件噪声干扰影响的不足。

传统静基座对准技术通常可分为解析式对准、罗经对准和基于最优估计的卡尔曼滤波组合对准三类，在进行初始对准时需要外部输入当地纬度信息，这会降低捷联航姿系统的自主性和安全性。此外，罗经对准和卡尔曼滤波组合对准主要是针对初始姿态角为小角度的情形，例如精对准过程，由于应用条件存在局限性，因而不能完成任意航向角条件下的初始对准任务。另外，罗经对准和卡尔曼滤波组合对准过程通常耗时较长，难以适应静基座快速对准要求。针对隧道、深山丛林以及海底等无法获取GPS定位信息条件下的静基座初始对准，此时传统静基座初始对准技术无法完成对准任务，进一步限制了捷联航姿系统在复杂环境下的应用。

针对以上问题，本发明设计了一种基于梯度下降优化的静基座快速对准方法，利用批量梯度下降优化确定目标函数的最小二乘解，使得在每次姿态四元数更新后能够充分利用之前所有量测信息更新目标函数，保证目标函数只与最新姿态四元数相关，从而加快对准收敛速度；同时，通过利用所有量测信息构建目标函数，能够有效抑制器件噪声干扰。可用于舰船纬度未知的情况下进行快速高精度对准，提高了对准的环境适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用纬度未知情况下的快速高精度传递对准方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于梯度下降优化的静基座快速对准方法，包括以下步骤：

步骤一：通过利用自身加速度计和陀螺测量信息完成对地球自转角速度矢量的估计：用单位四元数来表征姿态及坐标变换，需要同时对地球自转角速度和重力加速度矢量进行归一化处理；

步骤二：利用多量测矢量构建最小二乘意义下的目标函数以抑制器件噪声干扰；

步骤三：采用批量梯度下降法来得到姿态四元数的最小二乘解。

在步骤一中，地球自转角速度矢量的估计模型如下：

记单位四元数并对地球自转角速度和重力加速度矢量进行归一化处理：

以及三轴加速度计和三轴陀螺输出值进行归一化：