CN111256731A - 一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法 - Google Patents

一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法 Download PDF

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CN111256731A CN202010129654.XA CN202010129654A CN111256731A CN 111256731 A CN111256731 A CN 111256731A CN 202010129654 A CN202010129654 A CN 202010129654A CN 111256731 A CN111256731 A CN 111256731A
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王献忠
刘赟
张国柱
张丽敏
桑小冲
董晋芳
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Abstract

本发明公开了一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，包括如下步骤：步骤1，将惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系及预处理；步骤2，基于准北东地坐标系北向和东向比力估计水平失准角及分段处理；步骤3，基于准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角及分段处理；步骤4，基于水平和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准角度。本发明基于动态修正的准北东地坐标系进行精对准，惯组姿态变化后不受历史数据影响，能够快速收敛到新对准姿态。该地面静态对准算法简单，收敛速度快，易于工程应用。

Description

一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法
技术领域
本发明涉及惯导初始对准技术领域，具体是一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，用于惯导地面对准。
背景技术
运载、导弹等发射前都需要进行初始对准，一般基于发射点经度、纬度和高度进行水平和方位对准。
现有地面对准一般直接基于本体建立导航坐标系，并在此坐标系基于加表测得的比力和最小二乘估计失准角，基于最小二乘估计失准角的常规算法如下：
加速度计算
Figure BDA0002395445320000011
Figure BDA0002395445320000012
第一步初始化
Figure BDA0002395445320000013
第二步开始迭代计算
Figure BDA0002395445320000021
Figure BDA0002395445320000022
Figure BDA0002395445320000023
计算失准角
Figure BDA0002395445320000024
(aN)n-1＝(aN)n
(aE)n-1＝(aE)n
(bN)n-1＝(bN)n
(bE)n-1＝(bE)n
直接基于本体坐标系和最小二乘进行精对准，受历史数据影响收敛速度较慢。对准姿态变化后受历史数据影响，很难收敛到新对准姿态。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，该方法简单，收敛速度快，易于工程应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：1、一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，包括如下步骤：
步骤1，将惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系并进行滤波同时确定精对准姿态角：
步骤2，根据准北东地坐标系北向和东向比力估计水平失准角、根据准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角，并对估计的水平失准角以及方位失准角进行分段处理：
步骤3，基于所述的水平失准角和方位失准角结合所述的初始对准角，利用四元数乘法计算精对准角度。
优选的，所述步骤1具体包括如下步骤：
步骤1.1，将k时刻惯性坐标系下的惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系；
步骤1.2，在准北东地坐标系对转换后的角速率和比力进行滤波，确定k时刻准北东地坐标系北向和东向比力以及东向角速率；
步骤1.3，根据准北东地坐标系地向比力，计算失准角，进而得到精对准姿态角。
优选的，所述滤波公式如下：
Figure BDA0002395445320000031
Figure BDA0002395445320000032
Figure BDA0002395445320000033
式中，
Figure BDA0002395445320000041
为第k时刻北向和东向加速度；
Figure BDA0002395445320000042
为第k时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure BDA0002395445320000043
为第k-1时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure BDA0002395445320000044
为第k时刻东向角速度；
Figure BDA0002395445320000045
为第k-1时刻东向角速度；klv为权重系数。
优选的，klv选取：
Figure BDA0002395445320000046
式中，t为单机测量值更新周期，T为滤波周期，即对T秒数据进行平滑处理，求取滤波值。
优选的，所述步骤2中水平失准角估计公式如下：
如果第k时刻地向加速度测量值
Figure BDA0002395445320000047
则三轴失准角为：
Figure BDA0002395445320000048
dθ＝0°、dψ＝0°
否则：
Figure BDA0002395445320000049
Figure BDA00023954453200000410
Figure BDA00023954453200000411
式中，
Figure BDA00023954453200000412
为横滚失准角；dθ为俯仰失准角；dψ为偏航失准角；ka为横滚失准角和俯仰失准角的比例系数；kω为偏航失准角的比例系数。
优选的，所述步骤2中的分段处理即分别对水平失准角和方位失准角中的大失准角进行限幅处理，小失准角进行平滑处理；所述的限幅处理中的限幅值取值范围5°～15°，所述的小失准角为小于0.1°的失准角，其中水平失准角的限幅值与方位失准角的限幅值相同或者不相同。
优选的，所述的平滑处理即比例作用减弱40％～60％。
优选的，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1，基于水平失准角和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准四元数：
步骤4.2，基于精对准四元数，按预定的转序计算精对准角度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供了一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，该方法将坐标系建立在准北东地坐标系下基于动态修正方法进行精对准，惯组姿态变化后不受历史数据影响，能够快速收敛到新对准姿态。该地面静态对准算法简单，收敛速度快，易于工程应用：
1、基于动态修正的准北东地坐标系进行精对准，能够快速收敛；
2、惯组姿态变化后不受历史数据影响，能够快速收敛到新对准姿态；
3、基于四元数乘法计算精对准四元数，生成高精度对准角度；
4、地面静态对准算法简单，收敛速度快，易于工程应用。
附图说明
图1是本发明北东地坐标系(NED)示意图；
图2是本发明地面静态对准计算过程。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图2所示，本发明一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，该方法将惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系及预处理；基于准北东地坐标系北向和东向比力估计水平失准角及分段处理；基于准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角及分段处理；基于水平和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准角度。包括如下步骤：
步骤1，将惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系及预处理：
步骤1.1，将惯性坐标系下的惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系：如图1所示，准北东地坐标系的定义为：
坐标原点O：飞行器质心，随飞机质心牵连运动；
Oxv轴：与地球椭球面切线平行，指向正北；
Ozv轴：沿着地球椭球面的法线方向向下；
Oyv轴：与Oxv轴、Ozv轴构成右手直角坐标系，与地球椭球面切线平行指向正东，
则：
qn′b,0＝[1 0 0 0]T
An′b,0＝I3×3
fn′＝An′b,k-1·fb
ωn′＝An′b,k-1·ωb
式中，qn′b,0为第0时刻本体系到准北东地坐标系的初始四元数；An′b,0为第0时刻本体系到准北东地坐标系初始转换矩阵；An′b,k-1第k-1时刻本体系到准北东地坐标系初始转换矩阵；fb为惯组中加速度计测量的比例；ωb惯组中陀螺测量的惯性角速度；fn′为准北东地系下加速度；ωn′为准北东地系下角速度。
步骤1.2，在准北东地坐标系对角速率和比力滤波：
Figure BDA0002395445320000071
Figure BDA0002395445320000072
Figure BDA0002395445320000073
式中，
Figure BDA0002395445320000074
为第k时刻北向和东向加速度；
Figure BDA0002395445320000075
为第k时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure BDA0002395445320000076
为第k-1时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure BDA0002395445320000077
为第k时刻东向角速度；
Figure BDA0002395445320000078
为第k-1时刻东向角速度；本例中klv＝0.02。
步骤1.3，基于准北东地坐标系地向比力，判别是否重赋初始对准角：
如果第k时刻地向加速度测量值
Figure BDA0002395445320000079
则三轴失准角为：
Figure BDA00023954453200000710
dθ＝0°、dψ＝0°
否则：
Figure BDA00023954453200000711
Figure BDA0002395445320000081
ka＝0.01°/(m/s2)
式中，
Figure BDA0002395445320000082
为横滚失准角；dθ为俯仰失准角；ka为横滚失准角和俯仰失准角的比例系数。步骤2.2，对大水平失准角进行限幅处理和小水平失准角进行平滑处理：
水平失准角大时比例作用强一些，加快收敛，小时比例作用弱一些，起到平滑作用。水平失准角进行10°限幅；水平失准角小于0.1°，比例作用减弱50％。
步骤3，基于准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角及分段处理：
步骤3.1，基于准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角：
Figure BDA0002395445320000083
kω＝1600°/(°/s)
其中，dψ为偏航失准角；kω为偏航失准角的比例系数。步骤3.2，对大方位失准角进行限幅处理和小方位失准角进行平滑处理：
方位失准角大时比例作用强一些，加快收敛，小时比例作用弱一些，起到平滑作用。方位失准角进行10°限幅；方位失准角小于0.1°，比例作用减弱50％。
需要说明的是，步骤2、步骤3没有严格的先后顺序，其具体步骤中的限幅及平滑处理数值也并非一定相同。
步骤4，基于水平和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准角度：
步骤4.1，基于水平和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准四元数：
失准角转换成弧度，求误差四元数：
Figure BDA0002395445320000091
Figure BDA0002395445320000092
Figure BDA0002395445320000093
Figure BDA0002395445320000094
式中，dq为失准角的四元数；qn′b,k为第k时刻本体系到准北东地坐标系的转换四元数；qbn′,k为第k时准北东地坐标系到本体系的转换四元数；qn′b,k-1为第k-1时刻本体系到准北东地坐标系的转换四元数；qbn′,k-1为第k-1时准北东地坐标系到本体系的转换四元数。
qn′b,k＝[q0 q1 q2 q3]T，q0为标量部分，则：
qn′b,k *＝[q0 -q1 q2 q3]T
步骤4.2，基于精对准四元数，按3-2-1转序计算精对准角度：
由qbn,k＝qbn′,k＝[q0 q1 q2 q3]T
求第k时准北东地坐标系到本体系的转换四元数Abn,k：
Figure BDA0002395445320000095
Abn,k按3-2-1转序求取三轴姿态角。
姿态按3-2-1转序表示的姿态转换矩阵如下：
Figure BDA0002395445320000101
Figure BDA0002395445320000102
将矩阵Abn,k表示为：
Figure BDA0002395445320000103
姿态四元数按3-2-1转序求三轴姿态角，如果|a13|≤0.99999，则：
Figure BDA0002395445320000104
sinθ＝-a13，θ＝asin(-a13)
Figure BDA0002395445320000105
否则：
Figure BDA0002395445320000106
θ＝asin(-a13)
Figure BDA0002395445320000107
本实施例将坐标系建立在准北东地坐标系下基于动态修正方法进行精对准，准北东地坐标系进行精对准，惯组姿态变化后不受历史数据影响，能够快速收敛到新对准姿态。该地面静态对准算法简单，收敛速度快，易于工程应用。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，将惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系并进行滤波同时确定精对准姿态角：
步骤2，根据准北东地坐标系北向和东向比力估计水平失准角、根据准北东地坐标系东向角速率估计方位失准角，并对估计的水平失准角以及方位失准角进行分段处理：
步骤3，基于所述的水平失准角和方位失准角结合所述的初始对准角，利用四元数乘法计算精对准角度。
2.根据权利要求1所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：
步骤1.1，将k时刻惯性坐标系下的惯组陀螺角速率和加表比力转换到准北东地坐标系；
步骤1.2，在准北东地坐标系对转换后的角速率和比力进行滤波，确定k时刻准北东地坐标系北向和东向比力以及东向角速率；
步骤1.3，根据准北东地坐标系地向比力，计算失准角，进而得到精对准姿态角。
3.根据权利要求2所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述滤波公式如下：
Figure FDA0002395445310000011
Figure FDA0002395445310000012
Figure FDA0002395445310000013
式中，
Figure FDA0002395445310000014
为第k时刻北向和东向加速度；
Figure FDA0002395445310000015
为第k时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure FDA0002395445310000016
为第k-1时刻北向和东向加速度的滤波值；
Figure FDA0002395445310000021
为第k时刻东向角速度；
Figure FDA0002395445310000022
为第k-1时刻东向角速度；klv为权重系数。
4.根据权利要求3所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，klv选取：
Figure FDA0002395445310000023
式中，t为单机测量值更新周期，T为滤波周期，即对T秒数据进行平滑处理，求取滤波值。
5.根据权利要求1所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述步骤2中水平失准角估计公式如下：
如果第k时刻地向加速度测量值
Figure FDA0002395445310000024
则三轴失准角为：
Figure FDA0002395445310000025
dθ＝0°、dψ＝0°
否则：
Figure FDA0002395445310000026
Figure FDA0002395445310000027
Figure FDA0002395445310000028
式中，
Figure FDA0002395445310000029
为横滚失准角；dθ为俯仰失准角；dψ为偏航失准角；ka为横滚失准角和俯仰失准角的比例系数；kω为偏航失准角的比例系数。
6.根据权利要求1或5所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述步骤2中的分段处理即分别对水平失准角和方位失准角中的大失准角进行限幅处理，小失准角进行平滑处理；所述的限幅处理中的限幅值取值范围5°～15°，所述的小失准角为小于0.1°的失准角，其中水平失准角的限幅值与方位失准角的限幅值相同或者不相同。
7.根据权利要求6所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述的平滑处理即比例作用减弱40％～60％。
8.根据权利要求1所述的不受历史数据影响快速收敛的地面静态对准方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1，基于水平失准角和方位失准角，利用四元数乘法计算精对准四元数：
步骤4.2，基于精对准四元数，按预定的转序计算精对准角度。
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