CN103323022A - 一种角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捷联惯性导航系统的初始姿态参数的粗略测量领域，特别涉及一种静基座条件下，角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法。采集角增量陀螺输出的采样周期内的角增量和速度增量加速度计输出的采样周期内的速度增量；由步骤1中得到的纬度L测量得到初始位置处的重力值；测量捷联姿态矩阵各元素；由捷联姿态矩阵元素可得航向角ψ、纵摇角θ、横摇角γ的主值ψ₀，θ₀，γ₀进一步地由姿态角的定义域得到它们的真值。

Description

一种角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法

技术领域

本发明涉及一种捷联惯性导航系统的初始姿态参数的粗略测量领域，特别涉及一种静基座条件下，角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法。 

背景技术

对于捷联惯性导航系统在进入导航工作状态以前需要确定初始姿态参数。初始姿态参数包括：捷联姿态矩阵、纵摇角、横摇角和航向角。初始姿态参数的测量精度直接关系到光纤陀螺捷联惯性导航系统导航的精度。按照初始姿态参数的测量阶段划分：粗对准和精对准阶段。粗对准阶段的目的是快速、粗略地对测量捷联惯性导航系统的初始姿态参数，精对准的目的是精确测量捷联惯性导航系统的初始姿态参数，对于时间上没有要求。 

“压电与声光”2007年第29卷第4期发表文章“车载捷联惯导系统粗对准中摆动误差补偿研究”提出了一种车载捷联惯导系统补偿摆动误差，实现粗对准的方法，即利用加速度计输出信息修正陀螺信号，然后采用修正后的陀螺信息和加速度计的平均信息，实现初始粗对准。“战术导弹控制技术”2005年第49期发表文章“车载捷联惯导系统动基座粗对准方法的研究”给出了两种粗对准方法，即正交向量计算法；直接计算法。申请号CN200910072429.0专利“基于单轴旋转的光纤陀螺捷联惯性导航系统的粗对准方法”提供的是一种基于单轴旋转的光纤陀螺捷联惯性导航系统的粗对准方法，测量过程在惯性坐标系下进行，利用到了单轴转台的准确转角。以上的专利和文章提供的粗对准方法，都是在假设陀螺输出角速度，加速度计输出比力的前提下进行的，当陀螺输出角增量，加速度计输出速度增量时，无法直接使用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法，该方法直接利用陀螺输出的角增量和加速度计输出的速度增量，在静基座条件下，粗略测量捷联姿态矩阵、纵摇角、横摇角和航向角，从而完成粗对准任务。 

附图说明

图1是本发明的流程图。 

具体实施方式

一种角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法，其特征在于： 

步骤1、通过外部设备(如GPS)确定初始位置(包括经度和纬度L)，将它们装订至角增量速度增量捷联惯性导航系统的导航计算机中； 

步骤2、角增量速度增量捷联惯性导航系统进行预热，具体预热时间可以参见其使用说明)。 

步骤3、采集角增量陀螺输出的采样周期内的角增量 

Δθ_x(m)，Δθ_y(m)，Δθ_z(m) 

和速度增量加速度计输出的采样周期内的速度增量 

ΔV_x(m)，ΔV_y(m)，ΔV_z(m) 

其中m表示第m个采样值，下角标x、y、z分别表示载体坐标系的x轴、y轴和z轴； 

采集角增量陀螺输出与速度增量加速度计输出120秒。 

步骤4、由步骤3可得 

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z\left(m\right)$

以及 

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_x\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_y\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_z\left(m\right)$

其中

即120秒内采样的个数，h为角增量速度增量捷联惯性导航系统的采样周期； 

步骤5、由步骤1中得到的纬度L测量得到初始位置处的重力值 

G＝9.78049+0.051799sin(L) 

步骤6、由步骤4和步骤5可得捷联姿态矩阵第3行各列元素 

$T_{31}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_x\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

$T_{32}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_y\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

$T_{33}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_z\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

步骤7、由步骤4、步骤5和步骤6可得捷联姿态矩阵第2行各列元素 

$T_{21}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x\left(m\right)}{N}-{\mathrm{hT}}_{31}\mathrm{\Ω}\sin L)$

$T_{22}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y\left(m\right)}{N}-{\mathrm{hT}}_{32}\mathrm{\Ω}\sin L)$

$T_{23}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z\left(m\right)}{N}-{\mathrm{hT}}_{33}\mathrm{\Ω}\sin L)$

步骤8、由步骤6和步骤7可得捷联姿态矩阵第1行各列元素 

T₁₁＝T₂₂T₃₃-T₂₃T₃₂

T₁₂＝T₂₃T₃₁-T₂₁T₃₃

T₁₃＝T₂₁T₃₂-T₂₂T₃₁

步骤9、由步骤6、步骤7和步骤8中捷联姿态矩阵元素可得航向角ψ、纵摇角θ、横摇角γ的主值ψ₀，θ₀，γ₀

${\mathrm{\ψ}}_0=\arctan (-\frac{T_{12}}{T_{22}})$

θ₀＝arcsinT₃₂

${\mathrm{\γ}}_0=\arctan (-\frac{T_{31}}{T_{33}})$

其中航向角ψ的定义域为(0°，360°)；纵摇角θ的定义域为(-90°，90°)；横摇角γ的定义域为(-90°，90°)， 

由姿态角的定义域得到它们的真值， 

航向角的真值为 

纵摇角的真值为 

θ＝θ₀

横摇角的真值为 

本发明还具有以下特征：角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法适用于载体静基座的情形，如静止状态下的车辆，准备起飞的飞行器装备的角增量速度增量捷联惯性导航系统。 

(七)有益效果 

所述的角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法针对陀螺为角增量输出，加速度计为速度输出的捷联惯性导航系统而设计，应用所述方法到角增量速度增量捷联惯性导航系统，操作简单方便，且比较利用角速度比力完成粗对准的方法，在使用角增量速度增量捷联惯性导航系统时，具有较高的精度。 

为了进一步验证所述方法的有益效果，采用一套哈尔滨工程大学研制的光纤陀螺捷联惯性导航系统，以从法国引进的PHINS组合导航系统作为姿态参考的基准，使用时PHINS处于惯导与GPS组合导航状态，可以提供高精度的姿态信息。静基座条件下，进行了三次测试，测试结果如表1所示。 

表1测试结果 

通过表1可以看出：所述方法进行静基座条件下试验，其试验测量值误差满足捷联惯性导航系统的粗对准使用要求，即纵摇误差和横摇误差小于1度，航向误差小于3度。 

Claims (1)

1.一种角增量速度增量捷联惯性导航系统粗对准方法，其特征在于：

步骤1、通过外部设备(如GPS)确定初始位置(包括经度和纬度L)，将它们装订至角增量速度增量捷联惯性导航系统的导航计算机中；

步骤2、角增量速度增量捷联惯性导航系统进行预热。

步骤3、采集角增量陀螺输出的采样周期内的角增量

Δθ_x(m)，Δθ_y(m)，Δθ_z(m)

和速度增量加速度计输出的采样周期内的速度增量

ΔV_x(m)，ΔV_y(m)，ΔV_z(m)

其中m表示第m个采样值，下角标x、y、z分别表示载体坐标系的x轴、y轴和z轴；

采集角增量陀螺输出与速度增量加速度计输出120秒。

步骤4、由步骤3可得

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z\left(m\right)$

以及

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_x\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_y\left(m\right),$ $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_z\left(m\right)$

其中

即120秒内采样的个数，h为角增量速度增量捷联惯性导航系统的采样周期；

步骤5、由步骤1中得到的纬度L测量得到初始位置处的重力值

G＝9.78049+0.051799sin L

步骤6、由步骤4和步骤5可得捷联姿态矩阵第3行各列元素

$T_{31}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_x\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

$T_{32}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_y\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

$T_{33}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_z\left(m\right)}{\mathrm{GhN}}$

其中，G是初始位置处的重力值；h为角增量速度增量捷联惯性导航系统的采样周期；

即120秒内采样的个数。

步骤7、由步骤4、步骤5和步骤6可得捷联姿态矩阵第2行各列元素

$T_{21}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x\left(m\right)}{N}-h{T}_{31}\mathrm{\Ω}\sin L)$

$T_{22}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y\left(m\right)}{N}-h{T}_{32}\mathrm{\Ω}\sin L)$

$T_{23}=\frac{1}{\mathrm{h\Ω}\cos L}(\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_z\left(m\right)}{N}-h{T}_{33}\mathrm{\Ω}\sin L)$

其中，h为角增量速度增量捷联惯性导航系统的采样周期；Ω＝7.29e-5rad/s是地球自转角速度。

步骤8、由步骤6和步骤7可得捷联姿态矩阵第1行各列元素

T₁₁＝T₂₂T₃₃-T₂₃T₃₂

T₁₂＝T₂₃T₃₁-T₂₁T₃₃

T₁₃＝T₂₁T₃₂-T₂₂T₃₁

步骤9、由步骤6、步骤7和步骤8中捷联姿态矩阵元素可得航向角ψ、纵摇角θ、横摇角γ的真值。

先通过步骤6、步骤7和步骤8中捷联姿态矩阵元素可得航向角ψ、纵摇角θ、横摇角γ的主值ψ₀，θ₀，γ₀

${\mathrm{\ψ}}_0=\arctan (-\frac{T_{12}}{T_{22}})$

θ₀＝arcsin T₃₂

${\mathrm{\γ}}_0=\arctan (-\frac{T_{31}}{T_{33}})$

其中航向角ψ的定义域为(0°，360°)；纵摇角θ的定义域为(-90°，90°)；横摇角γ的定义域为(-90°，90°)，

由姿态角的定义域得到它们的真值，

航向角的真值为

纵摇角的真值为

θ＝θ₀

横摇角的真值为

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