[发明专利]一种基于改进UKF的星光折射CNS/SINS组合导航方法

说明书

本发明公开了一种基于改进UKF的星光折射CNS/SINS组合导航方法；首先建立了组合导航模型，利用捷联惯性导航系统的误差方程建立组合导航状态方程，引入了导航星星点方向矢量误差、折射视高度误差和运动学约束建立量测模型；其次提出了一种改进UKF方法，引入自适应因子修正量测噪声协方差矩阵跟踪实际量测噪声的变化，对星敏感器和惯性器件解算得到的导航信息进行信息融合，修正姿态、速度、位置结果，校正陀螺仪常值漂移和加速度计的常值偏置。本方法构建的量测方程利用导航星点矢量误差、折射视高度误差和运动学约束作为量测信息校正了陀螺和加速度计的误差，提出的自适应UKF方法减少了量测噪声变化导致滤波精度下降的问题，提高了星光折射CNS/SINS组合导航精度。

技术领域

本发明属于组合导航技术领域，具体涉及一种基于改进UKF的星光折射CNS/SINS组合导航方法。

背景技术

传统CNS/SINS组合导航方法将天文导航与惯性导航的姿态信息相融合，但这种组合方法无法补偿加速度计误差，在长航时任务中，组合导航系统位置误差仍然发散。为实现弹道导弹等远程长航时飞行器的高精度导航，一般采用星光折射间接敏感地平的天文/惯性组合导航方法，校正陀螺仪和加速度计的误差。

然而传统星光折射间接敏感地平CNS/SINS组合导航利用星敏感器确定的姿态信息与惯性导航系统进行组合，要求观测恒星数目不少于3颗，且姿态精度受限于导航星的几何构型，极大限制了组合导航的连续性与精度。而标准UKF中设定量测噪声协方差矩阵Rk为常值，对复杂多变的环境干扰和观测星点数目构型变化的适应能力差。因此，进一步研究星光折射间接敏感地平的天文/惯性组合导航方法十分必要，需要合理选取量测量，并利用量测噪声矩阵自适应调整的UKF方法，提高CNS/SINS系统的导航精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于改进UKF的星光折射CNS/SINS组合导航方法，利用捷联惯性导航系统的误差方程建立组合导航状态方程，利用导航星星点方向矢量误差、折射视高度误差和运动学约束作为组合导航量测信息，设计自适应无迹卡尔曼滤波器自适应调整量测噪声矩阵，利用组合导航输出结果实现陀螺仪和加速度计的误差校正，提高了星光折射间接敏感地平的天文/惯性组合导航精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于改进UKF的星光折射CNS/SINS组合导航方法，包括以下步骤：

步骤一：获取捷联惯性导航系统与天文导航系统中的导航信息；

步骤二：建立星光折射CNS/SINS组合导航系统的状态方程和量测方程；

步骤三：基于自适应无迹卡尔曼滤波方法进行组合导航的信息融合与误差校正。

进一步地，所述步骤一中，利用天文导航系统获取导航星星点方向矢量、折射星星点方向矢量、星敏感器光轴指向的导航信息；利用惯性导航系统获取载体的实时姿态、速度、位置的导航信息，具体如下：

天文导航系统利用一个大视场星敏感器同时观测导航星和折射星。导航过程中，星敏感器实时拍摄星图，通过星图识别与匹配，捕获得到导航星，计算获得星敏感器的光轴指向。设k时刻星敏感器的拍摄星图中识别出n颗导航星，在CCD成像平面内坐标为：(u_s1,v_s1),(u_s2,v_s2),…,(u_sn,v_sn)，则导航星在星敏感器坐标系下的方向矢量表示为：

其中，f为星敏感器的焦距。

根据星敏感器的光轴指向，依据导航星库，模拟当前时刻星敏感器拍摄到的未发生大气折射的星图。将非折射模拟星图与实际拍摄星图做星图匹配，通过计算模拟星图与实际拍摄星图中各颗星的欧氏距离，当距离最小值大于设定阈值时，判定该星为折射星，达到识别折射星的目的。