CN103389090A - 一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，包括以下步骤：采集惯性导航系统正常模式下输出信息；测量惯性导航系统与东经90°之间的经度差；计算辅助系数W；测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角；计算地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵；测量惯性惯性导航系统极区模式的初始速度。本发明基于地球椭球模型求取正常模式与极区模式导航坐标系之间的转换矩阵，避免了简单以常规球体模拟地球时求取转换矩阵的误差，从而减小惯性导航系统模式转换的误差。本发明只需惯性导航系统正常模式下的输出信息就可以测量出极区模式所需的初始速度信息，不需要其他外部设备和信息，测量方法简单方便，有利于实际应用。

Description

一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法

技术领域

本发明属于惯性导航系统极区导航技术领域，尤其涉及一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法。

背景技术

惯性导航系统对于保障船舶、飞机等在极区的航行与作业至关重要。然而目前我国常用的固定指北方位惯性导航系统，其机械编排无法在极区使用。为克服惯性导航系统上述机械编排无法在极区进行导航解算这一缺点，导航领域的研究人员设计出自由方位和游动方位机械编排。自由方位系统和游动方位系统在平台的方位指令上采取了措施，解决了极区航行时平台方位角施矩速率信号过大的问题。它们可解决惯性导航系统极区工作的部分问题，但由于极区经线圈的快速汇聚会导致系统位置矩阵的误差，进一步使得系统导航精度随纬度的升高而下降。同时，在地理极点附近，由于真北方向失去定义导致自由方位角和游动方位角失去定义，航向无法给出，即采用这两种机械编排惯性导航系统在地理极点附近无法导航。

解决这个问题可以采用横坐标系导航参考框架。运载体航行至极区时，转入极区导航模式，即采用横坐标系参考框架。横坐标参考框架是指惯性导航系统以横地理坐标系为导航坐标系，在横地理坐标系内解算导航参数，包括速度，位置等信息。由于依然采用的是通过加速度积分来求解速度的方式，因此在进入极区模式时需要横坐标系参考框架下速度的初始值。但是惯性导航系统存在的正常模式转入极区模式时速度信息的初始化问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，旨在解决惯性导航系统由正常模式转入极区模式时速度信息的初始化的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法包括以下步骤：

采集惯性导航系统正常模式下输出信息；

测量惯性导航系统与东经90°之间的经度差；

计算辅助系数W；

测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角；

计算地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵；

测量惯性惯性导航系统极区模式的初始速度。

进一步，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法具体步骤为：

步骤一：采集惯性导航系统正常模式输出的经度信息λ，纬度信息L和速度信息v；

步骤二：测量惯性导航系统所在位置与东经90°经线的经度差δλ；

步骤三：利用步骤一中的纬度信息L计算辅助系数W；

步骤四：利用步骤三中的W测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ；

步骤五：利用步骤六中得到的地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ构造地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

步骤六：由步骤五中得到的

测量惯性导航系统极区模式的初始速度。

进一步，在步骤二中，经度差δλ表示为：δλ=λ-90。

进一步，在步骤三中：辅助系数W表示为：

进一步，在步骤四中：地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ表示为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W\sin \mathrm{\δ\λ}}{\sin L\cos \mathrm{\δ\λ}\sqrt{(1-e^2)}}\right).$

进一步，在步骤五中：地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

表示为：

$C_t^{\stackrel{\‾}{t}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).$

进一步，在步骤六中：惯性导航系统极区模式的初始速度表示为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\stackrel{\‾}{x}}\\ v_{\stackrel{\‾}{y}}\\ v_{\stackrel{\‾}{z}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]$

其中

和

是惯性导航系统进入极区模式所需横东向、横北向和横天向速度，v_x、v_y和v_z是惯性导航系统正常模式输出的东向、北向和天向速度。

本发明提供的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，基于地球椭球模型求取正常模式与极区模式导航坐标系之间的转换矩阵，避免了简单以常规球体模拟地球时求取转换矩阵的误差，从而减小惯性导航系统模式转换的误差。本发明只需惯性导航系统正常模式下的输出信息就可以测量出极区模式所需的初始速度信息，不需要其他外部设备和信息，测量方法简单方便，有利于实际应用。此外，本发明填补了惯性导航系统极区导航模式初始速度测量方法的空白，解决了惯性导航系统由正常模式转入极区模式时速度信息的初始化问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法流程。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法包括以下步骤：

采集惯性导航系统正常模式下输出信息；

测量惯性导航系统与东经90°之间的经度差；

计算辅助系数W；

测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角；

计算地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵；

测量惯性惯性导航系统极区模式的初始速度。

作为本发明实施例的一优化方案，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法具体步骤为：

步骤一：采集惯性导航系统正常模式输出的经度信息λ，纬度信息L和速度信息v；

步骤二：测量惯性导航系统所在位置与东经90°经线的经度差δλ；

步骤三：利用步骤一中的纬度信息L计算辅助系数W；

步骤四：利用步骤三中的W测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ；

步骤五：利用步骤六中得到的地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ构造地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

步骤六：由步骤五中得到的

测量惯性导航系统极区模式的初始速度。

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤二中，经度差δλ表示为：δλ=|λ-90|。

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤三中：辅助系数W表示为： $W=\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}L}.$

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤四中：地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ表示为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W\sin \mathrm{\δ\λ}}{\sin L\cos \mathrm{\δ\λ}\sqrt{(1-e^2)}}\right).$

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤五中：地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

表示为：

$C_t^{\stackrel{\‾}{t}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).$

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤六中：惯性导航系统极区模式的初始速度表示为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\stackrel{\‾}{x}}\\ v_{\stackrel{\‾}{y}}\\ v_{\stackrel{\‾}{z}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]$

其中和

是惯性导航系统进入极区模式所需横东向、横北向和横天向速度，v_x、v_y和v_z是惯性导航系统正常模式输出的东向、北向和天向速度。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法包括以下步骤：

S101：采集惯性导航系统正常模式下输出信息；

S102：测量惯性导航系统与东经90°之间的经度差；

S103：计算辅助系数W；

S104：测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角；

S105：计算地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵；

S106：测量惯性惯性导航系统极区模式的初始速度。

本发明的具体步骤如下：

步骤一：采集惯性导航系统正常模式输出的经度信息λ，纬度信息L和速度信息v；

步骤二：测量惯性导航系统所在位置与东经90°经线的经度差δλ：

δλ=|λ-90|

步骤三：利用步骤一中的纬度信息L计算辅助系数W：

$W=\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}L}.$

步骤四：利用步骤三中的W测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W\sin \mathrm{\δ\λ}}{\sin L\cos \mathrm{\δ\λ}\sqrt{(1-e^2)}}\right).$

步骤五：利用步骤六中得到的地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ构造地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

$C_t^{\stackrel{\‾}{t}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).$

步骤六：由步骤五中得到的

测量惯性导航系统极区模式的初始速度：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\stackrel{\‾}{x}}\\ v_{\stackrel{\‾}{y}}\\ v_{\stackrel{\‾}{z}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]$

其中

和是惯性导航系统进入极区模式所需横东向、横北向和横天向速度，v_x、v_y和v_z是惯性导航系统正常模式输出的东向、北向和天向速度；

惯性导航系统正常模式输出参数：经度信息λ，纬度信息L，东向速度v_x、北向速度v_y和天向速度v_z；惯性导航系统极区模式输出参数：横东向速度

横北向速度

和横天向速度

本发明具体实施方式：

步骤一，惯性导航系统行至纬度为70度时开始由正常模式转换为极区模式；

步骤二，采集惯性导航系统正常模式输出的位置信息：经度λ和地理纬度L；

步骤三，测量惯性导航系统所在位置与东经90°经线的经度差δλ：

δλ=|λ-90|

步骤四，利用步骤二中的纬度信息L计算辅助系数W：

$W=\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}L}.$

步骤五，利用步骤四中的W测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W\sin \mathrm{\δ\λ}}{\sin L\cos \mathrm{\δ\λ}\sqrt{(1-e^2)}}\right).$

步骤六，利用步骤五中得到的地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ构造地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

$C_t^{\stackrel{\‾}{t}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).$

步骤七，由步骤六中得到的测量惯性导航系统极区模式的初始速度：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\stackrel{\‾}{x}}\\ v_{\stackrel{\‾}{y}}\\ v_{\stackrel{\‾}{z}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]$

其中

和

是惯性导航系统进入极区模式所需横东向、横北向和横天向速度，v_x、v_y和v_z是惯性导航系统正常模式输出的东向、北向和天向速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法包括以下步骤：

采集惯性导航系统正常模式下输出信息；

测量惯性导航系统与东经90°之间的经度差；

计算辅助系数W；

测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角；

计算地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵；

测量惯性惯性导航系统极区模式的初始速度。

2.如权利要求1所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，该惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法具体步骤为：

步骤一：采集惯性导航系统正常模式输出的经度信息λ，纬度信息L和速度信息v；

步骤二：测量惯性导航系统所在位置与东经90°经线的经度差δλ；

步骤三：利用步骤一中的纬度信息L计算辅助系数W；

步骤四：利用步骤三中的W测量地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ；

步骤五：利用步骤六中得到的地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ构造地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

步骤六：由步骤五中得到的

测量惯性导航系统极区模式的初始速度。

3.如权利要求2所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，在步骤二中，经度差δλ表示为：δλ=|λ-90|。

4.如权利要求2所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，在步骤三中：辅助系数W表示为：

$W=\sqrt{1-e^{2}s{\mathrm{in}}^{2}L}.$

5.如权利要求2所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，在步骤四中：地理坐标系与横地理坐标系之间的转角θ表示为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W\sin \mathrm{\δ\λ}}{\sin L\cos \mathrm{\δ\λ}\sqrt{(1-e^2)}}\right).$

6.如权利要求2所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，在步骤五中：地理坐标系与横地理坐标系之间的方向余弦矩阵

表示为：

$C_t^{\stackrel{\‾}{t}}=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).\end{array}$

7.如权利要求2所述的惯性导航系统极区导航模式初始速度的测量方法，其特征在于，在步骤六中：惯性导航系统极区模式的初始速度表示为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\stackrel{\‾}{x}}\\ v_{\stackrel{\‾}{y}}\\ v_{\stackrel{\‾}{z}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]$

其中

和是惯性导航系统进入极区模式所需横东向、横北向和横天向速度，v_x、v_y和v_z是惯性导航系统正常模式输出的东向、北向和天向速度。

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