CN101825468A - 基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导方法,本发明针对传统的时域捷联惯导算法由于对载体的角速度和比力进行多项式拟合而导致的不能充分补偿载体运动的各种误差的问题进行设计,运用频域分析方法对惯导器件输出的增量信号和解算过程中得到的导航信息进行光滑延拓以及离散傅立叶变换,并利用频域内实现的对偶四元数捷联惯导算法对变换得到的频谱信号进行解算,最后对解算得到的信号进行傅立叶反变换以得到时域内的导航解。与已有的时域对偶四元数捷联惯导方法相比,本发明充分利用惯导器件输出信号各个频段的信息,在高动态环境下精度更高。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域,涉及一种捷联惯导算法,特别涉及一种基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导算法,适用于高动态环境下中高精度的导航系统及定位、定向系统等。
背景技术
自20世纪50年代末捷联惯导系统的概念提出以来,经过50多年的发展,捷联惯导系统已经广泛应用于军用、民用的多个领域,但是在精度、可靠性等方面还存在着不少的问题。总的来说,捷联惯导系统性能的提高主要依赖于两个方面:高精度的惯导器件和理想的导航算法。近20年来,各种精度的惯导器件的发展取得了长足的进步,而捷联惯导算法的发展却仍然局限于对原有算法作局部的改进。2005年,有学者系统地提出了一种基于对偶四元数代数的捷联惯导算法。与成熟的捷联惯导算法相比,其精度有了一定程度的提高,而算法的整体结构也出现了较大的改变,具体体现在:采用对偶四元数这种数学工具统一表示转动和平移,使算法模拟的刚体运动更加接近于实际运载体的运动。但是,不管是这种基于对偶四元数代数的捷联惯导算法还是传统的将转动和平移分开表示的捷联惯导算法,采用的都是根据预积分得到的惯导器件输出的增量信号直接在时域内对载体的角速度和比力进行多项式拟合以补偿载体运动的各种误差的思想。这种思想本身就是近似的,因为载体的运动具有很大的随机性,角速度和比力的变化是十分复杂的。
在一定条件下,采用频域分析方法对惯导器件输出的增量信号进行重构,能够复现原信号。利用频域内实现的对偶四元数捷联惯导算法对重构后的信号进行解算,可以弥补传统的时域捷联惯导算法的缺陷,进一步提高算法的精度,特别适用于高动态环境。
发明内容
本发明的技术解决问题是:本发明针对传统的时域捷联惯导算法由于对载体的角速度和比力进行多项式拟合而导致的不能充分补偿载体运动的各种误差的问题进行设计,目的在于提高捷联惯导系统在高动态环境下的精度,结合已有时域对偶四元数捷联惯导算法精度高的特点,提出了一种基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导算法,适用于中高精度的导航系统及定位、定向系统等。
本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
本发明基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导方法,包括以下步骤:
(3)计算载体在地球坐标系中的速度向量;
(5)计算载体在地球坐标系中的位置向量;
(6)计算载体的姿态和航向。
优选地,步骤(1)中所述的频域内的运动学方程的求解方法如下:首先对角增量和速度增量进行光滑延拓即用的补偿信号表示角增量和速度增量的补偿信号;然后对得到的角增量和速度增量信号进行离散傅立叶变换,并根据频域内的角速度和角增量、加速度和速度增量的对应关系得到旋量的频谱幅值;再根据频域内的运动学方程以及初始条件求解的频谱幅值,初始条件也要转化为频域内的形式;最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的初始条件,完成对偶四元数的更新;其中表示tn时刻的对偶四元数旋量是推力速度坐标系T下由角速度和加速度构成的对偶向量。
优选地,步骤(2)中所述的频域内对偶四元数的运动学方程的求解方法如下:首先根据频域形式的地球自转角速度以及重力的频谱幅值构造旋量的频谱幅值;然后根据频域内的运动学方程以及初始条件求解的频谱幅值,其中的初始条件也要转化为频域内的形式;最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的初始条件,完成对偶四元数的更新;其中,旋量是引力速度坐标系G下由角速度和加速度构成的对偶向量。
优选地,步骤(3)中所述的载体在地球坐标系中的速度向量的计算方法为:根据载体在地球坐标系中的速度表达式的频域形式计算载体在地球坐标系中的速度的频谱幅值,其中的推力速度vt I、引力速度vg I以及载体在地球坐标系中的位置向量rG都要采用频域内的表达形式;对得到的频谱幅值进行傅立叶反变换可以得到时域内载体在地球坐标系中的速度向量;其中,四元数qIG为对偶四元数的实数部分,四元数qIG *为四元数qIG的共轭形式,ωIG G为旋量的实数部分,运算符“о”表示四元数乘运算。
优选地,步骤(4)中所述的频域内的运动学方程的求解方法为:首先根据频域形式的地球自转角速度以及推力速度vt I和引力速度vg I的频谱幅值构造旋量的频谱幅值;然后根据频域内的运动学方程以及初始条件求解的频谱幅值;最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的初始条件,完成对偶四元数的更新;其中的旋量是位置坐标系U下由角速度和速度构成的对偶向量。
优选地,步骤(5)中所述的载体在地球坐标系中的位置向量的计算方法为:根据载体在地球坐标系中的位置向量表达式的频域形式求取位置向量的频谱幅值,并在此基础上更新步骤(3)中用到的频域形式的位置向量rG,同时在频域内计算重力以完成对重力的频谱幅值的更新;最后对得到的位置向量的频谱幅值进行傅立叶反变换就可以得到时域内载体在地球坐标系中的位置向量;其中,qIU *为对偶四元数的共轭形式,qIU为对偶四元数的实数部分,q′IU为对偶四元数的对偶部分。
优选地,步骤(6)中所述的载体的姿态和航向的计算方法为:应用递推算法将地球坐标系下的位置矢量转化为导航系即地理坐标系下的位置参数即纬度L、经度λ和高度h,并根据位置参数计算地球坐标系相对导航系的旋转四元数qNE;然后求取载体坐标系相对导航系的旋转四元数以确定载体的姿态和航向,其中载体坐标系相对惯性坐标系、地球坐标系相对惯性坐标系的旋转四元数qIB、qIE可以根据关系式 求取;其中,四元数qIE *表示对偶四元数的共轭形式。
本发明的原理:运用频域分析方法对惯导器件输出的增量信号和解算过程中得到的导航信息进行光滑延拓以及离散傅立叶变换,并利用频域内实现的对偶四元数捷联惯导算法对变换得到的频谱信号进行解算,最后对解算得到的信号进行傅立叶反变换以得到时域内的导航解。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)可以充分利用惯导器件输出信号各个频段的信息,更真实地反映惯导器件的输出特性;
(2)有助于消除惯导器件(主要是陀螺)在某些频段的噪声,而这些噪声是用传统的时域方法无法有效消除的;
(3)能够方便地实现捷联惯导系统与卫星导航系统的匹配和算法融合,因为卫星导航系统中的很多算法都是在频域内实现的;
(4)能够弥补惯导器件精度的不足,提高捷联惯导系统的整体精度,大大降低系统的整体成本。
附图说明
图1为本发明的一种基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导算法的原理框图;
图2为在频域内更新对偶四元数的原理示意图;
图4为在频域内更新对偶四元数的原理示意图。
具体实施方式
本发明基于频域分析方法的对偶四元数捷联惯导方法的实现过程如图1所示,主要包括以下六个步骤:
如图2所示,首先对ΔθIB B(tn)、ΔvB(tn)进行光滑延拓(前提是用的补偿信号表示ΔθIB B(tn)、ΔvB(tn)的补偿信号,其中表示tn时刻的对偶四元数 表示时刻惯导器件输出的角增量和速度增量信号);然后对得到的角增量和速度增量信号进行离散傅立叶变换得到ΔθIB B(tn)、ΔvB(tn)的频谱幅值 并根据频域内的角速度和角增量、加速度和速度增量的对应关系得到旋量的频谱幅值再根据频域内的运动学方程以及对偶四元数的初值的频域形式求解的频谱幅值最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的完成对偶四元数的更新。
(2)在频域内求解对偶四元数的运动学方程并求取引力速度
如图3所示,首先根据频域形式的ωIE E以及构造旋量的频谱幅值其中的ωIE E表示地球自转角速度、表示重力的频谱幅值;然后根据频域内的运动学方程以及对偶四元数的初值的频域形式求解的频谱幅值最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的完成对偶四元数的更新。
(3)计算载体在地球坐标系中的速度向量
根据载体在地球坐标系中的速度表达式的频域形式计算载体在地球坐标系中的速度的频谱幅值,其中的推力速度vt I、引力速度vg I以及载体在地球坐标系中的位置向量rG都要采用频域内的表达形式;对得到的频谱幅值进行傅立叶反变换可以得到时域内载体在地球坐标系中的速度向量。
如图4所示,首先根据频域形式的ωIE E以及推力速度vt I和引力速度vg I的频谱幅值构造旋量的频谱幅值然后根据频域内的运动学方程以及对偶四元数的初值的频域形式求解的频谱幅值最后用得到的的频谱幅值替换频域形式的完成对偶四元数的更新。
(5)计算载体在地球坐标系中的位置向量
根据载体在地球坐标系中的位置向量表达式的频域形式求取位置向量的频谱幅值,并在此基础上更新步骤(3)中用到的频域形式的位置向量rG,同时在频域内计算重力以完成对重力的频谱幅值的更新;时域内载体在地球坐标系中的位置向量可以通过对位置向量的频谱幅值进行傅立叶反变换得到。
(6)计算载体的姿态和航向
应用递推算法将地球坐标系下的位置矢量转化为导航系(地理坐标系)下的位置参数(纬度L、经度λ和高度h),并在此基础上计算地球坐标系相对导航系的旋转四元数qNE;然后求取载体坐标系相对导航系的旋转四元数以确定载体的姿态和航向,其中载体坐标系相对惯性坐标系、地球坐标系相对惯性坐标系的旋转四元数qIB、qIE可以根据关系式 求取。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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