[发明专利]一种基于虚拟圆球法向量模型的极区惯性导航方法

说明书

一种基于虚拟圆球法向量模型的极区惯性导航方法，包括：装订初始导航参数，接收来自IMU惯性测量单元和测高仪的实时数据信息；建立虚拟圆球法向量模型，完成基于四元组的位置表示和导航参数转换；建立基于虚拟圆球法向量模型在地心地固坐标系下位置、速度和姿态的微分方程，根据实时接收的数据信息完成导航参数的解算；将地心地固坐标系下的导航参数转换为需要的坐标系下的导航参数并输出。本发明的四元组位置表示方法具有全球适用性，避免了传统方案在极区和非极区之间的复杂切换。本发明只涉及参考椭球模型中的精确的子午圈和卯酉圈曲率半径计算，避免了传统方法中参考椭球模型下曲率半径近似计算带来的误差问题，提高了解算精度。

技术领域

本发明导航技术领域，特别是涉及一种基于虚拟圆球法向量模型的极区惯性导航方法。

背景技术

随着极区航线的开发，近年来极区导航已经成为了一个研究热点问题。由于惯性导航拥有极好的自主性，并且不受极区地磁变化和太阳风暴的影响，因此惯性导航已经成为极区重要的导航手段。

目前传统的位置表示方法是使用经纬度（横经度横纬度）高程表征位置。然而由于所有经线在极点处交汇，因此极点处的经度没有定义，经纬度位置表示方法存在奇异性。另外当航行器接近极点时，这种表示方法会导致极区导航算法的精度降低。此外，当载体位于180度经线时，经度表示位置不连续，会影响计算的连续性。同理，横经度横纬度的表示方法会在赤道上产生新的极点，同样不适用于全球导航算法。虽然地心直角系的位置表示方法具备全球适用性，但这种方法不能直接表示载体相对地球参考椭球表面的高度、横向位置及其变化，得到的导航结果在需要进行坐标系转化时比较复杂。

极区子午线密集汇聚引起经度退化，极点附近纬度的正切正割计算奇异，使得传统的当地地理坐标系下的惯性导航解算误差急剧增大。目前极区惯性导航的主流解决方案有格网坐标系和横坐标系导航方法。采用横坐标系或者格网系进行导航解算在圆球模型下会产生原理性误差，不能保证精度，在椭球模型下涉及多个方向的曲率半径的计算，计算过程比较复杂；另外是近极点处的曲率半径由于经线汇聚也很难精确得到，极区姿态解算、速度解算存在误差，当惯性导航本身已经存在位置误差时，由此造成的误差就会更加显著。

格网坐标系导航方法在赤道附近无法正常工作，横坐标系算法会在赤道产生新的极点，因此二者都不具备全球导航能力。另外，格网坐标系与横坐标系导航方法不能用统一的全球误差模型分析其误差特性，特别的在穿越极区的应用场景中，都需要与传统的地理坐标系导航算法进行切换，这样会带来积分过程的变化，对于阻尼算法和组合导航滤波算法，切换过程会影响内部算法的连续性与一致性，同时还极大地增加算法复杂度。

发明内容

当前的经纬高位置表示方法具有奇异性，现有的极区惯性导航方法在圆球模型下会产生原理性误差，而采用椭球模型进行导航解算则会使计算过程变得复杂。针对现有技术中存在的以上问题，本发明提供了一种基于虚拟圆球法向量模型的极区惯性导航方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于虚拟圆球法向量模型的极区惯性导航方法，包括：

第1步：装订初始导航参数，接收来自IMU惯性测量单元的实时旋转角速度和比力矢量，接收来自测高仪的实时参考高度，获取航行器的初始位置、初始地心地固坐标系与当地水平指北地理坐标系的方向余弦矩阵、地心地固坐标系下的初始速度、初始姿态矩阵以及初始重力值。

第2步：根据当前时刻航行器的重力值、速度以及陀螺仪和加速度计的测量值，采用速度微分方程递推得到下一时刻航行器的速度。

第3步：根据第2步确定的下一时刻航行器的速度和当前时刻航行器的位置，采用位置微分方程递推得到下一时刻航行器的位置。

第4步：根据第3步确定的下一时刻航行器的位置、当前航行器的姿态矩阵和陀螺仪测量值，采用姿态微分方程递推得到下一时刻航行器的姿态矩阵。