[发明专利]捷联惯导系统空中快速对准装置及方法

摘要

本发明提供了一种捷联惯导系统空中快速对准装置及方法，属于惯导系统空中快速对准装置及方法技术领域。装置包括：基于DSP的导航计算机、GPS接收模块和惯性测量单元。方法为：在飞行器起飞前，从GPS中获得所在位置的经度λ、纬度L和高度h，得到当地的重力加速度大小；粗对准只需要数秒就完成，这时飞行器起飞，失准角为大失准角，建立大失准角四元数误差模型，坐标系选择东、北、天坐标系；由于大失准角误差模型是非线性模型，于是采用扩展卡尔曼滤波方法估计姿态误差角；失准角检测模块不断检测失准角的大小，当失准角达到小失准角范围内且短时间内没有增大为大失准角，则系统自动切换为捷联惯导小失准角误差模型。

主权项

1.一种捷联惯导系统空中快速对准方法，其特征在于，步骤一、在飞行器起飞前，从GPS中获得所在位置的经度λ、纬度L和高度h，得到当地的重力加速度大小为：地球自转角速度ω_ie也是确定的，于是根据双矢量定姿理论，得到初始姿态矩阵T如下：步骤二、粗对准只需要数秒就完成，这时飞行器起飞，失准角为大失准角，建立大失准角四元数误差模型，坐标系选择东、北、天坐标系，模型如下：四元数误差方程：速度误差方程：位置误差方程：步骤三、由于大失准角误差模型是非线性模型，于是采用扩展卡尔曼滤波方法估计姿态误差角，GPS能够测得运载体的速度和位置，将惯性导航系统测得位置速度与GPS测得数据作差，作为扩展卡尔曼滤波器的观测量，从而估计出大失准角的数值，并且不断反馈校正姿态矩阵；EKF滤波器状态方程即是前面的四元数误差方程，速度误差方程和位置误差方程组成的微分方程组；卡尔曼滤波状态方程：系统状态变量为：X＝[δL δλ δh δv_E δv_N δv_U δq₀ δq₁ δq₂ δq₃]^TEKF滤波器量测方程：Z＝HX+V量测量：Z＝[δL δλ δh δv_E δv_N δv_U]^T量测矩阵：H＝[I_6×6 O_6×10]量测噪声：V＝[v_δL v_δλ v_δh v_vE v_vN v_vU]^T上式V各元素分别为位置和速度量测噪声；步骤四、失准角检测模块不断检测失准角的大小，当失准角达到小失准角范围内且短时间内没有增大为大失准角，则系统自动切换为捷联惯导小失准角误差模型，同时将EKF切换到KF；这里给出小失准角Φ方程以及卡尔曼滤波器模型：姿态误差方程：速度误差方程：位置误差方程与小失准角相同；由于小失准角误差模型是线性模型，于是采用卡尔曼滤波方法估计姿态误差角，GPS能够测得运载体的速度和位置，将惯性导航系统测得位置速度与GPS测得数据作差，作为卡尔曼滤波器的观测量，从而估计出小失准角的数值，并且不断反馈校正姿态矩阵；卡尔曼滤波状态方程：系统状态变量为：其中，φ_E、φ_N、φ_U为数学平台失准角；δv_E、δv_N、δv_U为载体的东向、北向和天向速度误差；δL、δλ、δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差；ε_x、ε_y、ε_z、分别为陀螺随机常值漂移和加速度计随机常值零偏；系统噪声矢量由陀螺仪和加速度计的随机误差组成，为：该状态方程即是前面的Φ角方程；卡尔曼滤波量测方程：Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)量测量：其中I代表INS测得数据，G代表GPS测得数据；量测矩阵：H＝[zeros(6,3),eye(6),zeros(6)]；量测噪声：V＝[ν_δE ν_δN ν_δU ν_δL ν_δλ ν_δh]^T上式V各元素分别为位置和速度量测噪声；通过上面的步骤最后估计失准角，校正初始姿态矩阵。