[发明专利]考虑飞行可靠性的长航时旋转惯导/卫星组合导航方法

权利要求书

1.考虑飞行可靠性的长航时旋转惯导/卫星组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定长航时飞机高纬度飞行区域的导航坐标系及位置表示方式，包括如下步骤：

(1.1)确定长航时飞机高纬度地区飞行时的导航坐标系，高纬度地区导航坐标系确定为格网坐标系，其中，格网坐标系的定义为：格网平面平行于格林尼治子午面，其与长航时飞机位置点处切平面的交线为格网北向，地理北向与格网北向的夹角为格网角，以顺时针为正；格网天向与当地地理坐标系天向相同，其与格网东向、北向一起构成右手直角坐标系；将格网角σ表示为

其中，表示L当地纬度，λ表示当地经度；

(1.2)确定长航时飞机在格网坐标系下的位置矩阵与高度h，其中位置矩阵定义为格网坐标系G与地球坐标系e之间的方向余弦矩阵，高度h即长航时飞机相对于水平面的高度，表示如下：

其中，表示格网坐标系相对于地理坐标系n的方向余弦矩阵，表示地理坐标系n相对于地球坐标系e的方向余弦矩阵；

(2)确定长航时飞机在格网坐标系下的更新方程，包括姿态更新方程、速度更新方程、位置更新方程，具体实施如下：

(2.1)确定格网坐标系下的姿态更新方程为：

其中，表示格网坐标系相对于载体坐标系b的方向余弦矩阵，表示载体坐标系相对于惯性坐标系i的旋转角速度，表示格网坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度；

(2.2)确定格网坐标系下的速度v^G的更新方程为：

其中，

式中，f^b表示载体坐标系下表示的比力，g^G表示格网坐标系下表示的重力矢量，表示地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在格网坐标系下的投影，表示格网坐标系相对于地球坐标系的旋转角速度在格网坐标系下的投影，表示地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在地球坐标系下的投影，ω_ie表示地球旋转角速度，R_x为格网东向的曲率半径，R_y为格网北向的曲率半径，τ_f为扭曲半径，表示格网东向速度，表示格网北向速度；

(2.3)确定格网坐标系下的位置更新方程为：

其中，位置更新包括位置矩阵的更新与高度h的更新，表示格网垂向速度；

(3)确定长航时飞机在格网坐标系下的姿态误差方程、速度误差方程、位置误差方程，具体实施如下：

确定姿态误差φ^G的方程如下：

其中，表示格网坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度误差，表示载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度误差；

确定速度误差δv^G的方程如下：

其中，表示地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度误差，表示格网坐标系相对于地球坐标系的旋转角速度误差，δf^b表示比力误差；

确定位置误差方程，位置误差包括位置矩阵误差θ^G与高度误差δh，且位置矩阵误差方程采用位置误差角的微分方程表示：

高度误差方程为：

式中，表示格网垂向速度误差；

(4)确定长航时飞机导航参数在地理坐标系与格网坐标系之间的转换关系并进行转换，导航参数的转换包括姿态转换、速度转换、位置转换；

其中，长航时飞机姿态参数在地理坐标系、格网坐标系之间的转换关系为：

式中，表示地理坐标系n与载体坐标系b之间的方向余弦矩阵，表示地理坐标系与格网坐标系之间的方向余弦矩阵；

长航时飞机速度参数在地理坐标系、格网坐标系之间的转换关系为：

式中，vⁿ表示地理坐标系下表示的速度；

长航时飞机位置参数在地理坐标系、格网坐标系之间的转换关系为：

离开高纬度地区时，纬度、经度通过位置矩阵的元素c₃₁,c₃₂,c₃₃通过三角函数运算获得，其中c₃₁,c₃₂,c₃₃分别为的第3行第1-3列元素；

高度h在两个坐标系下保持不变；

(5)完成RINS/GNSS组合导航滤波器在地理坐标系与格网坐标系之间的转换，其中RINS/GNSS组合导航滤波器采用开环反馈校正方式，具体实施如下：

(5.1)分别确定地理坐标系与格网坐标系下的系统误差状态为：

地理坐标系下的系统误差状态xⁿ(t)为

格网坐标系下的系统误差状态x^G(t)为

其中，分别表示地理坐标系下表示的东向、北向、垂向姿态误差，分别表示格网坐标系下表示的东向、北向、垂向姿态误差，分别表示地理坐标系下表示的东向、北向、垂向速度误差，分别表示格网坐标系下表示的东向、北向、垂向速度误差，δL,δλ分别表示纬度、经度误差，分别表示位置误差角东向、北向误差，分别表示x、y、z轴向陀螺常值零偏，分别表示x、y、z轴向加表常值零偏，分别表示RINS相对于GNSS天线在x，y，z三个方向的安装杆臂；

(5.2)分别确定姿态误差、速度误差、位置误差在地理坐标系与格网坐标系下间的转换关系为：

首先确定地理坐标系下姿态误差φⁿ与格网坐标系下姿态误差φ^G之间的转换关系

式中，

其次确定地理坐标系下速度误差δvⁿ与格网坐标系下速度误差δv^G之间的转换关系

式中，表示格网坐标系相对于地理坐标系方向余弦矩阵的误差；

进而确定纬度误差δL、经度误差δλ与示位置误差角东向误差北向误差之间的转换关系

高度误差δh、陀螺常值零偏加表常值零偏安装杆臂误差在地理坐标系与格网坐标系下保持不变；

确定格网坐标系下的系统误差状态x^G(t)与地理坐标系下的系统误差状态xⁿ(t)之间的转换关系如下：

x^G(t)＝Φxⁿ(t),xⁿ(t)＝Φ^-1x^G(t)

其中，Φ为转换系数矩阵，并且根据φ^G与φⁿ之间的转换关系，δv^G与δvⁿ之间的转换关系，与δL、δλ之间的转换关系，并考虑高度误差δh、陀螺常值零偏加表常值零偏安装杆臂误差在地理坐标系与格网坐标系下的不变性进行确定；

(5.3)根据步骤(5.2)，确定地理坐标系下系统误差状态协方差矩阵Pⁿ(t)与格网坐标系下系统误差状态协方差矩阵P^G(t)的转换关系：

Pⁿ(t)＝Φ^-1P^G(t)Φ^-T

式中，表示格网坐标系下表示的系统误差状态估计值，表示地理坐标系下表示的系统误差状态估计值；

(5.4)当长航时飞机在中纬度、高纬度地区连续飞行时，开环反馈RINS/GNSS组合导航滤波器完成在地理坐标系与格网坐标系之间的系统误差状态、协方差矩阵转换，转换方式按照步骤(5.2)、步骤(5.3)所述，转换前后xⁿ(t)、Pⁿ(t)，x^G(t)、P^G(t)按照如下方式进行更新：

式中，上标+、-分别表示更新后时刻、更新前时刻，下标k+1、k分别表示离散化k+1、k时刻，K、P、H、R、Q、F、γ分别表示增益矩阵、协方差矩阵、观测矩阵、观测噪声强度矩阵、系统噪声强度矩阵、状态转移矩阵、系统噪声矩阵，x、z分别表示系统状态向量、观测向量，I为单位矩阵；

(6)采用输出校正方式对RINS导航参数信息进行校正，在地理坐标系、格网坐标系下的导航参数校正方式分别如下：

式中，分别表示的解算值，分别表示vⁿ、v^G的解算值，分别表示L、λ、h的解算值，为的解算值。