CN110967007B - 一种适用于稳态航行可节省两轴捷联陀螺的惯导解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于稳态航行可节省两轴捷联陀螺的惯导解算方法，本发明去掉两只水平轴向陀螺，保留方位通道的单轴陀螺，利用磁罗盘中加速度计在非机动航行过程中提取俯仰与滚动水平姿态角前后两帧的差构成角增量，与单轴陀螺共同构成航行器沿三个轴向空间运功的完整描述，实现对数学平台的更新。由于可以实现单轴陀螺加磁罗盘的捷联惯导解算，在传统捷联惯导配置的基础上节省两轴捷联陀螺，从而可以缩小体积，节约成本。

Description

一种适用于稳态航行可节省两轴捷联陀螺的惯导解算方法

技术领域

本发明涉及惯导解算领域，尤其是一种陀螺的惯导解算方法。

背景技术

目前捷联惯导技术是实现航行器航姿提取的主流技术。一次性靶雷本身直径φ110，要求航行10小时，在航行最后半小时完成声模拟、磁模拟，还要提供关键航路点位置信息。纯捷联惯导技术随着时间的推移其误差发散是其基本特性，依靠纯惯导根本无法满足使用需求。

为解决捷联惯导误差发散问题，不同应用对象采取的技术措施不计其数，归纳起来无外乎从提高元器件精度、组合导航、旋转调制技术等方面入手，但上述措施的实施均建立在增加系统的成本基础上，且无论是体积还是重量，一次性靶雷均无法承受。

磁罗盘在经过应用磁环境标定后可以提供航向输出，且误差不随时间累积，使得其有一定的应用场景。但磁罗盘极易受到使用环境的磁干扰也是其使用受限的非常显著的特性，一次性靶雷在磁模拟过程中磁罗盘将无法使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于稳态航行可节省两轴捷联陀螺的惯导解算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：在捷联系统配置的基础上去掉俯仰角与滚动角通道的陀螺仪表，保留航向角通道，其余三轴加速度计仍按捷联配置，采用加速度计提取姿态角方法得到俯仰与滚动角；

由加速度计提取姿态角的公式如下：

式中，θ_a(k)、γ_a(k)分别为k时刻由加速度计计算得到的平滑前的俯仰角与横滚角；a_x(k)、a_y(k)、a_z(k)分别为k时刻沿雷体x、y、z三轴的平滑后的加速度输出；

步骤2：由加速度计提取姿态角后进行平滑处理，平滑处理的步骤如下：

采用基于二阶巴特沃斯滤波器的加速度计数据进行平滑处理：

其中，a_in(m)为采集得到的加速度计输出，a_out(m)为递推得到的平滑后的加速度计输出，m为递推帧数，取m＝2,3,...9；

步骤3：平滑处理后进行姿态平滑，姿态平滑的计算公式如下：

其中，θ_acc(l)和γ_acc(l)为l时刻由加速度计计算得到的步骤3中平滑后的俯仰角与横滚角；

步骤4：当存在磁干扰时，将磁罗盘航向角注入作为初值，接收大于2帧的数据；

步骤5：按公式(4)计算航向角、俯仰角与滚动角的角增量，且从第3帧后开始计算：

δψ、δθ、δγ分别为导航系航向角、俯仰角与滚动角的角增量，单位是弧度，其中，ψ_m+1是第m+1帧的航向角，ψ_k是第m帧的航向角；θ_m+1是第m+1帧的俯仰角，θ_m是第m帧的俯仰角，γ_m+1是第m+1帧的滚动角，γ_m是第m帧的滚动角；

在最初阶段，航向角由注入获取(如果需要提供与真北夹角)，之后的每一帧计算经过捷联解算获取；俯仰角和滚动角分别由加速度计输出经步骤3的平滑处理后提取获得；

步骤6：利用四元素微分方程进行角增量计算：

Θ₁Θ₂Θ₃是四元素微分解算角增量，Δω是由陀螺输出而得的机体系角增量，Δt为时间增量，ω_inby是地球自转与航行体机体系平移角速度之和在机体坐标系上的投影；计算角增量后，根据三个轴陀螺捷联惯导计算方法，完成航向、俯仰、滚动角的提取计算。

本发明的有益效果在于去掉两只水平轴向陀螺，保留方位通道的单轴陀螺，利用磁罗盘中加速度计在非机动航行过程中提取俯仰与滚动水平姿态角前后两帧的差构成角增量，与单轴陀螺共同构成航行器沿三个轴向空间运功的完整描述，实现对数学平台的更新，由于可以实现单轴陀螺加磁罗盘的捷联惯导解算，在传统捷联惯导配置的基础上节省两轴捷联陀螺，从而可以缩小体积，节约成本。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明中使用一次性靶雷采用磁罗盘+捷联技术的方案，考虑到体积成本，研发了可节省两轴捷联陀螺的惯导解算技术。本发明为一种非常规的捷联惯导解算方法，适用于航行器体积重量严重受限，且航行器无大俯仰滚动及剧烈机动运动、稳态航行的导航参数提取技术。

捷联惯导系统工作原理是采用三只单轴捷联陀螺(或两只双轴、或一只三轴陀螺)和三只加速度计组成惯性测量组合(IMU)，由陀螺测量航行器三轴方向的转动运动，在捷联惯导算法中补偿地球自转、和航行器在地球表面线运动造成的相对惯性空间的转动运动分量，得到载体相对于导航坐标系的角运动信息，对航行器运动过程中“数学平台”进行更新，可以提取航行器实时航姿角。

捷联惯导的基本算法中，是由实时采集的三个轴向陀螺输出的角增量来完成对“数学平台”更新的，本发明去掉两只水平轴向陀螺，保留方位通道的单轴陀螺，利用磁罗盘中加速度计在非机动航行过程中提取俯仰与滚动水平姿态角前后两帧的差构成角增量，与单轴陀螺共同构成航行器沿三个轴向空间运功的完整描述，实现对数学平台的更新。

在经典航姿解算的基础上经过下列改造，实现捷联航姿解算：

步骤1：在捷联系统配置的基础上去掉俯仰角与滚动角通道的陀螺仪表，保留航向角通道，其余三轴加速度计仍按捷联配置，采用加速度计提取姿态角方法得到俯仰与滚动角；

由加速度计提取姿态角的公式如下：

式中：

θ_a(k)、γ_a(k)分别为k时刻由加速度计计算得到的平滑前的俯仰角与横滚角；a_x(k)、a_y(k)、a_z(k)分别为k时刻沿雷体x、y、z三轴的平滑后的加速度输出；

步骤2：由加速度计提取姿态角后进行平滑处理，平滑处理的步骤如下：

采用基于二阶巴特沃斯滤波器的加速度计数据进行平滑处理：

其中，a_in(m)为采集得到的加速度计输出，a_out(m)为递推得到的平滑后的加速度计输出，m为递推帧数，取m＝2,3,...9；

步骤3：平滑处理后进行姿态平滑，姿态平滑的计算公式如下：

其中，θ_acc(l)和γ_acc(l)为l时刻由加速度计计算得到的步骤3中平滑后的俯仰角与横滚角；

步骤4：当存在磁干扰时，将磁罗盘航向角注入作为初值，接收大于2帧的数据；

步骤5：按公式(4)计算航向角、俯仰角与滚动角的角增量，且从第3帧后开始计算：

δψ、δθ、δγ分别为导航系航向角、俯仰角与滚动角的角增量，单位是弧度，其中，ψ_m+1是第m+1帧的航向角，ψ_k是第m帧的航向角；θ_m+1是第m+1帧的俯仰角，θ_m是第m帧的俯仰角，γ_m+1是第m+1帧的滚动角，γ_m是第m帧的滚动角；

在最初阶段，航向角由注入获取(如果需要提供与真北夹角)，之后的每一帧计算经过捷联解算获取；俯仰角和滚动角分别由加速度计输出经步骤3的平滑处理后提取获得；

步骤6：利用四元素微分方程进行角增量计算：

Θ₁Θ₂Θ₃是四元素微分解算角增量，Δω是由陀螺输出而得的机体系角增量，Δt为时间增量，ω_inby是地球自转与航行体机体系平移角速度之和在机体坐标系上的投影；计算角增量后，根据三个轴陀螺捷联惯导计算方法，完成航向、俯仰、滚动角的提取计算。

在经典捷联惯导解算中经过上述四部分改动，可以实现单轴陀螺加磁罗盘的捷联惯导解算，在传统捷联惯导配置的基础上节省两轴捷联陀螺。

Claims (1)

1.一种适用于稳态航行可节省两轴捷联陀螺的惯导解算方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：在捷联系统配置的基础上去掉俯仰角与滚动角通道的陀螺仪表，保留航向角通道，其余三轴加速度计仍按捷联配置，采用加速度计提取姿态角方法得到俯仰角与滚动角；

由加速度计提取姿态角的公式如下：

式中，θ_a(k)、γ_a(k)分别为k时刻由加速度计计算得到的平滑前的俯仰角与滚动角；a_x(k)、a_y(k)、a_z(k)分别为k时刻沿雷体坐标系x、y、z三轴的平滑后的加速度输出；

步骤2：由加速度计提取姿态角后进行平滑处理，平滑处理的步骤如下：

采用基于二阶巴特沃斯滤波器的加速度计数据进行平滑处理：

其中，a_in(m)为采集得到的加速度计输出，a_out(m)为递推得到的平滑后的加速度计输出，m为递推帧数，取m＝2,3,...9；

步骤3：平滑处理后进行姿态平滑，姿态平滑的计算公式如下：

其中，θ_acc(l)和γ_acc(l)为l时刻由加速度计计算得到的步骤3中平滑后的俯仰角与滚动角；

步骤4：当存在磁干扰时，将磁罗盘航向角注入作为初值，接收大于2帧的数据；

步骤5：按公式(4)计算航向角、俯仰角与滚动角的角增量，且从第3帧后开始计算：

δψ、δθ、δγ分别为导航坐标系的航向角、俯仰角与滚动角的角增量，单位是弧度，其中，ψ_m+1是第m+1帧的航向角，ψ_m是第m帧的航向角；θ_m+1是第m+1帧的俯仰角，θ_m是第m帧的俯仰角，γ_m+1是第m+1帧的滚动角，γ_m是第m帧的滚动角；

在最初阶段，航向角由注入获取，之后的每一帧计算经过捷联解算获取；俯仰角和滚动角分别由加速度计输出经步骤3的平滑处理后提取获得；

步骤6：利用四元素微分方程进行角增量计算：

Θ₁、Θ₂、Θ₃是四元素微分解算角增量，Δ ω是由陀螺输出而得的机体系角增量，Δ t为时间增量，ω_inby是地球自转与航行体机体系平移角速度之和在机体坐标系上的投影；计算角增量后，根据三个轴陀螺捷联惯导计算方法，完成航向角、俯仰角、滚动角的提取计算。