CN107727117A - 一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法 - Google Patents

一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107727117A
CN107727117A CN201711077514.7A CN201711077514A CN107727117A CN 107727117 A CN107727117 A CN 107727117A CN 201711077514 A CN201711077514 A CN 201711077514A CN 107727117 A CN107727117 A CN 107727117A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
msubsup
msup
mtr
mtd
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711077514.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张亚
王岩岩
徐定杰
王凯
常佳冲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201711077514.7A priority Critical patent/CN107727117A/zh
Publication of CN107727117A publication Critical patent/CN107727117A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

一种解决快速对准不能准确估计器件误差并且受到横摇方向大变形角影响的传递对准方法,采集主惯导系统的导航参数信息，并且将其传递给子惯导系统，子惯导系统进行惯导解算获得自身导航参数信息，然后建立系统的状态方程并据此确定惯性匹配量，最后建立卡尔曼滤波方程并利用扩展卡尔曼滤波方法进行状态估计并对器件误差进行补偿，进而提高精度。

Description

一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法
一、技术领域
本发明涉及的是一种基于速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法，是一种以水平速度和纵摇角速度作为量测量，采用卡尔曼滤波进行估计的传递对准方法。
二、背景技术
随着社会的进步、科技的发展，惯性导航系统的应用越来越广泛。初始对准技术是惯性导航系统应用时的关键技术，其对准时间和精度直接影响着惯性导航系统的快速反应能力和精确性。传递对准技术是初始对准最为常用的一种技术，以其快速性大幅缩短了对准时间增强系统快速反应能力，在适合惯性匹配量的机动情况下，可以达到很高的对准精度。对于装备惯性导航设备的武器系统而言可以快速对纷乱的战场及时采取应对措施，这对于现代战争而言具有非常大的意义。目前最为常用的传递对准方法是“速度加姿态匹配”、“速度加角速度匹配”传递对准，“速度加姿态匹配”对准技术能够迅速精确地估计出失准角、机动方式简单，但由于其对准时间很短，无法准确估计出仪器误差，从而造成一定的导航误差，影响导航精度；“速度加角速度匹配”能够在较短的时间内估计出仪器误差，进而有效抑制导航误差，但由于横向变形角较大，“速度加角速度匹配”因此而受到较大的扰动而影响精度；通过研究分析发现“速度加纵摇角速度匹配”能够达到和“速度加角速度匹配”一样抑制导航误差的效果，同时可以避免横向变形角的干扰。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种可以在较短的时间内估计出仪器误差，进而有效抑制导航误差，提高导航精度的传递对准方法。
本发明的实现方法：
(1)启动主、子惯导系统，获得主子惯导系统陀螺仪和加速度计的输出值；主、子惯导系统利用各自陀螺仪和加速度计的输出值分别进行惯导解算得到导航信息(速度、姿态、位置)，利用主、子惯导系统的导航信息作为传递对准的匹配源；
(2)根据主、子惯导导航参数建立传递对准系统误差模型
根据主子惯导系统的速度、姿态、角速度等导航信息建立误差模型，其误差模型即为：
式中：δω为主子惯导的角速度差值，δV为主子惯导系统的速度差值，fn为主惯导系统加速度计输出值，φn为主子惯导系统姿态误差，为地球自转角速率在导航坐标系n上的投影，为捷联惯导系统在地球表面运动产生的角速率在导航坐标系n上的投影。
(3)确定卡尔曼滤波状态向量和量测向量
根据上述(2)中状态方程，选择状态向量为
其中包括两个方向的速度，三个方向的姿态差和角速度差以及陀螺仪和加速度计的漂移；由于是“速度加纵摇角速度匹配”，因此，量测向量选择为主、子惯导的水平速度差和纵摇角速度差：
即是：
(4)建立卡尔曼滤波方程
设Φk,k-1为tk-1时刻到tk时刻的一步转移矩阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，vk为量测噪声序列，ωk-1为系统激励噪声序列；建立如下滤波方程：
xk＝Φk,k-1xk-1+Γk-1ωk-1
zk＝Hkxk+vk
式中Hk为量测矩阵，根据匹配量可以表示为：
本发明的方法具有以下优点：
本方法选择角速度误差作为状态量的一部分，并将速度和纵摇角速度作为匹配量，能够及时反馈主子惯导的状态变化进行调整，选择纵摇角速度作为匹配量避免了横向较大变形角的扰动，从而抑制导航误差，提高导航精度。
四、附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明方法与传统方法水平姿态方向导航误差对比图。
图3为本发明方法与传统方法航向方向导航误差对比图。
五、具体实施方式
下面结合具体实施过程，对本发明进行详细地说明：
1.启动主、子惯导系统，获得主子惯导系统陀螺仪和加速度计的输出值；主、子惯导系统利用各自陀螺仪和加速度计的输出值分别进行惯导解算得到导航信息(速度、姿态、位置)，利用主、子惯导系统的导航信息作为传递对准的匹配源。
2.根据主子惯导导航参数建立传递对准系统误差模型
(1)角速度误差模型
根据匹配量的选择，主子惯导的角速度差值为测量量，定义测量角速度差为Δω，向量表示为：
矩阵表达式即为：
(2)姿态误差微分方程
设子惯导相对主惯导的失准角为φs的反对称矩阵则为Φs，主、子惯导坐标转换矩阵则为：
考虑主惯导相对惯性空间转动角速度，得姿态角误差微分方程：
在此基础上，采用主子惯导速度误差
系统的状态方程即为
3.建立滤波模型，进行滤波处理，根据系统状态方程建立如下滤波方程
xk＝Φk,k-1xk-1+Γk-1ωk-1
zk＝Hkxk+vk
其中，系统噪声和量测噪声的统计特性满足下式：
式中，δkj为克罗尼克函数，Qk和Rk分别是过程噪声和量测噪声的协方差阵；
运用扩展卡尔曼滤波方法进行滤波处理：
(1)状态一步预测
(2)状态估计
(3)滤波增益值的计算
Kk＝Pk,k-1Hk T(HkPk,k-1Hk T+Rk)-1
(4)一步预测均方误差
(5)估计均方误差
Pk＝(I-KkHk)Pk,k-1
上述方程中是系统状态的一步预测估计值；为xk的状态估计值；Kk为系统在k时刻的增益矩阵；Pk,k-1表示一步预测估计均方误差矩阵；Pk表示状态估计均方误差阵；Rk表示量测噪声均方误差阵；Qk表示系统噪声方差阵。
对该方法进行仿真分析，设置仿真条件如下：主、子惯导初始姿态分别为纵摇0°，横摇0°，航向45°；摇摆幅值为纵摇5°，横摇2°，航向0°；摇摆周期分别为纵摇6s，横摇10s，艏摇8s；仪器精度为主惯导陀螺漂移0.001°/h，加速度计为100μg，子惯导陀螺漂移为0.01°/h，加速度计为100μg；变形角设置为纵摇0.2°，横摇0.4°，艏摇0.2°。
由图2水平姿态的误差对比图可以看出，纵摇方向上“速度加纵摇角速度匹配”在10s内快速收敛，收敛值在0.004角分以内，“速度加姿态匹配”在200s以后开始收敛，收敛值在0.015角分以内；横摇方向上“速度加纵摇角速度匹配”在10s内快速收敛，收敛值在0.005角分以内，“速度加姿态匹配”在180s以后开始收敛，收敛值在0.0003角分以内。
由图3航向误差对比图可以看出，“速度加纵摇角速度匹配”、“速度加姿态匹配”收敛速度相当，在250s以后收敛，最终收敛值“速度加纵摇角速度匹配”略小于“速度加姿态匹配”。
综上，本发明方法相较于传统方法具有一定的优势。

Claims (3)

1.一种速度加纵摇角速度匹配传递对准方法，其特征是：
(1)分别启动主惯导系统、子惯导系统，获得主子惯导系统陀螺仪和加速度计的输出值；
(2)主、子惯导系统利用各自陀螺仪和加速度计的输出值分别进行惯导解算得到各自的导航信息(速度、姿态、位置)；
(3)建立系统滤波状态空间模型；
(4)根据系统状态空间模型确定系统的状态向量和量测向量；
(5)根据步骤(3)和(4)设计传递对准系统的卡尔曼滤波器；
(6)将滤波输出的状态估计值反馈给子惯导系统，子惯导系统进行信息校正重新输出校正后的导航信息。
2.由权利要求1所述的方法，其特征在于将步骤(1)和(2)所获得的主惯导速度与子惯导速度相减获得速度误差δV，主惯导姿态、角速度与子惯导姿态、角速度相减获得姿态误差φ、角速度误差δω，建立状态空间模型：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <msup> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mi>f</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;delta;&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msubsup> <mi>&amp;delta;&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>V</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>&amp;delta;V</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>n</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mover> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>n</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mover> <mo>&amp;dtri;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>b</mi> </msup> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mover> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>b</mi> </msup> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>
3.根据权利要求1和2所述，其特征在于根据状态空间模型，系统的状态向量选择为
其中包括两个方向的速度，三个方向的姿态差和角速度差以及陀螺仪和加速度计的漂移；量测向量选择为主、子惯导的水平速度差和纵摇角速度差：
<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>x</mi> <mi>s</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>x</mi> <mi>m</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>y</mi> <mi>s</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>y</mi> <mi>m</mi> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>x</mi> <mi>s</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>x</mi> <mi>m</mi> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
CN201711077514.7A 2017-11-06 2017-11-06 一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法 Pending CN107727117A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711077514.7A CN107727117A (zh) 2017-11-06 2017-11-06 一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711077514.7A CN107727117A (zh) 2017-11-06 2017-11-06 一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107727117A true CN107727117A (zh) 2018-02-23

Family

ID=61221563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711077514.7A Pending CN107727117A (zh) 2017-11-06 2017-11-06 一种速度加纵摇角速度匹配的传递对准方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107727117A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109737960A (zh) * 2018-12-21 2019-05-10 哈尔滨工业大学 基于速度加角速度匹配的船体变形测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103175545A (zh) * 2013-03-15 2013-06-26 戴洪德 惯导系统速度加部分角速度匹配抗干扰快速传递对准方法
CN103727940A (zh) * 2014-01-15 2014-04-16 东南大学 基于重力加速度矢量匹配的非线性初始对准方法
KR101690135B1 (ko) * 2015-10-26 2016-12-27 국방과학연구소 수중운동체 관성항법장치의 성능 검증 시스템 및 성능 검증방법
CN106767928A (zh) * 2017-01-13 2017-05-31 中国电子科技集团公司第二十八研究所 一种自适应快速传递对准方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103175545A (zh) * 2013-03-15 2013-06-26 戴洪德 惯导系统速度加部分角速度匹配抗干扰快速传递对准方法
CN103727940A (zh) * 2014-01-15 2014-04-16 东南大学 基于重力加速度矢量匹配的非线性初始对准方法
KR101690135B1 (ko) * 2015-10-26 2016-12-27 국방과학연구소 수중운동체 관성항법장치의 성능 검증 시스템 및 성능 검증방법
CN106767928A (zh) * 2017-01-13 2017-05-31 中国电子科技集团公司第二十八研究所 一种自适应快速传递对准方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李良君: "传递对准误差补偿及精度评估方法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
王国臣等: "《水下组合导航系统》", 30 April 2016, 国防工业出版社 *
秦永元等: "《卡尔曼滤波与组合导航原理 第2版》", 30 June 2012, 西北工业大学出版社 *
高伟等: "《捷联惯性导航系统初始对准技术》", 30 June 2014, 国防工业出版社 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109737960A (zh) * 2018-12-21 2019-05-10 哈尔滨工业大学 基于速度加角速度匹配的船体变形测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101963513B (zh) 消除水下运载体捷联惯导系统杆臂效应误差的对准方法
CN103245360B (zh) 晃动基座下的舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法
CN104197927B (zh) 水下结构检测机器人实时导航系统及方法
CN105806363B (zh) 基于srqkf的sins/dvl水下大失准角对准方法
CN104374388B (zh) 一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
CN101261130B (zh) 一种船用光纤捷联惯导系统传递对准精度评估方法
CN106885569A (zh) 一种强机动条件下的弹载深组合arckf滤波方法
CN108318038A (zh) 一种四元数高斯粒子滤波移动机器人姿态解算方法
CN101893445A (zh) 摇摆状态下低精度捷联惯导系统快速初始对准方法
CN102519460A (zh) 一种捷联惯性导航系统非线性对准方法
CN104655131A (zh) 基于istssrckf的惯性导航初始对准方法
CN105300381A (zh) 一种基于改进互补滤波的自平衡移动机器人姿态快速收敛方法
CN104807479A (zh) 一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法
CN105157724B (zh) 一种基于速度加姿态匹配的传递对准时间延迟估计与补偿方法
CN102654406A (zh) 基于非线性预测滤波与求容积卡尔曼滤波相结合的动基座初始对准方法
CN103674064B (zh) 捷联惯性导航系统的初始标定方法
Dukan et al. Sea floor geometry approximation and altitude control of ROVs
CN105928515A (zh) 一种无人机导航系统
CN101900573A (zh) 一种实现陆用惯性导航系统运动对准的方法
CN112798016A (zh) 一种基于sins与dvl组合的auv行进间快速初始对准方法
CN108827288A (zh) 一种基于对偶四元数的降维捷联惯性导航系统初始对准方法及系统
CN106840201A (zh) 一种带双轴转位机构捷联惯导的三位置自对准方法
CN103424127A (zh) 一种速度加比力匹配传递对准方法
RU2564379C1 (ru) Бесплатформенная инерциальная курсовертикаль
CN109211231A (zh) 一种基于牛顿迭代法的炮弹姿态估计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180223

RJ01 Rejection of invention patent application after publication