CN111637883B - 基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,包括:对速度环境函数进行闭环反馈;获取惯性制导遥外测速度误差;根据飞行环境函数关系,构建制导工具误差模型;根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值;根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,以提高惯性制导精度。本发明克服了现有方案忽略速度反馈、位置反馈时近似线性化引起速度环境函数与遥外测速度误差不匹配,进而导致不能精确求解惯性制导工具误差系数的不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航与惯性制导技术领域,尤其涉及一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法。
背景技术
当前航天飞行器的惯性导航主要采用陀螺仪和加速度计构成的惯性测量系统(捷联系统或平台系统)作为运动信息测量部件,其精度直接决定了航天飞行器的制导精度,因此,把惯性测量系统的误差一般称作惯性制导工具误差。由于惯性测量系统的误差不可直接观测,而须通过外部测量的速度、姿态等信息来补偿或修正惯性测量系统的误差以提高制导精度,这就牵涉到如何分离出惯性测量系统的误差系数,或惯性制导工具误差系数。
在利用弹道导弹遥外测数据分离惯性测量系统误差系数时,可采用遥外测速度误差误差作为观测量,其优点是速度误差反映了加速度计组合和陀螺仪组合的测量误差,另外一个优点是建立速度环境函数矩阵后可直接通过解方程求解误差系数,过程中没有微分解算。
建立速度环境函数主要基于惯性导航误差传播方程,由于存在着速度误差、位置误差和姿态角误差反馈,为一个非线性多变量交链方程,因此,难以建立所需的线性方程从而求解工具误差。
目前,在工程实际中主要采用了简化的方案,忽略了姿态角误差对姿态角速度的反馈作用,也忽略了速度误差和位置误差对加速度误差的反馈作用。该简化方案适宜于飞行时间较短的弹道导弹主动段应用场景,在关机点时刻可认为速度误差和位置误差引起的反馈作用非常小,从而影响落点精度的主要因素是惯性器件的误差。
但随着全程制导飞行时间的量级增加,该简化方案已显露出不足,表现为长时间飞行时舒拉周期的影响、地球几何模型的影响、重力异常的影响等都会导致分离的误差系数偏离真值较大,从而导致制导精度下降。
为此,如何在反映惯性导航误差传播客观存在反馈的约束条件下,实现基于弹道导弹遥外测数据的惯性测量系统误差系数精确分离是一个难题。需要寻找一种精确的基于遥外测数据估计制导工具误差系数分离方法,以提高惯性制导的精度。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,克服了现有方案忽略速度反馈、位置反馈时近似线性化引起速度环境函数与遥外测速度误差不匹配,进而导致不能精确求解惯性制导工具误差系数的不足的问题。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,包括:
对速度环境函数进行闭环反馈;
获取惯性制导遥外测速度误差;
根据飞行环境函数关系,构建制导工具误差模型;其中,所述制导工具误差模型满足线性关系;
根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值;
根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,以提高惯性制导精度。
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,获取惯性制导遥外测速度误差,包括:
其中,δvx、δvy和δvz分别表示导弹在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的速度分量;
其中,i=1,2,…N,采样间隔周期为ΔT,对应的时间ti=ΔT,2ΔT,…NΔT。
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,根据飞行环境函数关系,构建制导工具误差模型,包括:
确定环境函数矩阵C:
其中,xaj表示与加速度计相关的误差系数,j=1,2,…p;xgk表示陀螺仪有关的误差系数,k=1,2,…q;
确定制导工具误差系数X:
构建制导工具误差模型:Y=CX。
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,
其中,表示从安装三个加速度计的本体坐标系至发射点地球坐标系的坐标变换矩阵,表示三个加速度计的测量输出误差矢量,ωie,x、ωie,y和ωie,z分别表示ωie在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的分量,Ne表示重力加速度误差矩阵;
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,
其中,φx、φy和φz分别表示弹体相对于发射点地球坐标系的三个方向的姿态角分量;
Aφ=[Aφ1 Aφ2 Aφ3]
其中,ax、ay和az分别表示加速度计组合测量的三个方向的视加速度分量。
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值,包括:
根据速度环境函数,采用最小二乘法,对X=(CTC)-1CTY进行求解,得到制导工具误差的值;其中,在对X=(CTC)-1CTY的求解过程中采用显著性检验,将不显著的状态变量直接置为零。
在上述基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法中,根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,包括:
采用求解出的制导工具误差的值,直接对惯性制导遥外测速度观测量进行补偿:ΔY=Y-CX;其中,ΔY表示补偿后的残差。
本发明具有以下优点:
本发明公开了一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,通过在速度环境函数中引进闭环反馈,使得修正后的速度环境函数构成的结构矩阵与遥外测速度误差相互匹配,克服了原简化方法存在不匹配而导致分离的误差系数与真值之间存在偏差的问题;原方法由于速度误差与速度环境函数不匹配,从而需要迭代多次才能求解出系数,而采用本发明所述的方法一次就能分离出制导工具误差,效率较高,具有简单快捷、容易实现的优点;采用本发明所述的方法分离系数准确,补偿惯性制导工具误差精度高,大幅提高了制导精度。
附图说明
图1是一种现有的惯性导航误差传播流程图;
图2是一种现有的简化流程方案的速度开环误差传播流程图;
图3是本发明实施例中一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法的步骤流程图;
图4是本发明实施例中一种遥外测速度误差发射点地球坐标系X、Y、Z轴的分量示意图;
图5是本发明实施例中一种采用原遥外测速度误差分离后的补偿效果示意图;
图6是本发明实施例中一种采用修正后的遥外测速度误差分离后的补偿效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例1
设惯性导航解算是基于发射点地球坐标系,解算方程为:
其中,Xe表示导航解算是状态变量,re表示导航解算的位置矢量,Ve表示导航解算的速度矢量,表示导航解算的本体坐标系至发射点地球坐标系的坐标变换矩阵,表示加速度计组合测量的视加速度,表示地球自转角速度的反对称矩阵,表示重力加速度相对发射点地球坐标系的矢量,表示陀螺仪测量的角速度的反对称矩阵,表示地球自转角速度相对本体坐标系的反对称矩阵。
其中,表示地球自转角速度相对发射点地球坐标系的矢量,ωie表示地球自转角速度,ωie,x、ωie,y和ωie,z分别表示ωie在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的分量;表示地心直角坐标系相对惯性坐标系的旋转角速度在发射点地球坐标系中的矢量;表示发射点地球坐标系相对地心直角坐标系的旋转角速度在发射点地球坐标系中的矢量。
定义从发射点地球坐标系e至惯性平台台体坐标系p的坐标变换矩阵Re p为:
其中,φx、φy和φz分别表示弹体相对于发射点地球坐标系的三个方向的姿态角分量。
则姿态微分方程可写为:
依据导航解算方程,求得的导航误差方程包括:
2)速度误差微分方程:
其中,δre表示相对发射点地球坐标系导航解算的位置误差矢量,δVe表示相对发射点地球坐标系导航解算的速度误差矢量,δfp表示加速度计测量误差,δφx表示导航解算的X轴姿态角误差,δφy表示导航解算的Y轴姿态角误差,δφz表示导航解算的Z轴姿态角误差,Bv表示速度反馈矩阵,Br表示位置反馈矩阵,ax、ay和az分别表示加速度计组合测量的三个方向的视加速度分量。
在上式中,速度反馈矩阵Bv为:
在东北天地理坐标系中,位置反馈矩阵Br表示为:
其中,g表示高度为h时的重力加速度,g0表示地球表面重力加速度,h表示海拔高度,R表示地球半径,ωs表示舒拉角频率;表示地心地球直角坐标系至发射点地球坐标系的变换矩阵;表示东北天地理坐标系至地心地球直角坐标系的变换矩阵;表示地心地球直角坐标系至东北天地理坐标系的变换矩阵;表示发射点地球坐标系至地心地球直角坐标系的变换矩阵。
在发射点地球坐标系中,位置反馈矩阵Br表示为:
其中,fM表示万有引力常数与地球质量乘积;r=(x,y,z)表示弹体相对地心的位置坐标。
3)姿态误差微分方程:
由姿态误差、速度误差和位置误差微分方程构成的惯性导航误差传播流程如图1所示,工作时间较短时的简化流程如图2所示。目前,在工程实际中主要采用了简化流程方案,忽略了姿态角误差对姿态角速度的反馈作用,也忽略了速度误差和位置误差对加速度误差的反馈作用。
例如:
加速度计误差系数的环境函数简化为:
陀螺仪误差系数的环境函数简化为:
其中,xgk表示与陀螺仪有关的误差系数,k=1,2…q;姿态误差至速度误差的环境韩淑矩阵;Aε表示陀螺仪误差系数至姿态误差的环境函数矩阵。
可见,现有的简化流程方案适用于飞行时间较短的弹道导弹主动段应用场景,在关机点时刻可认为速度误差和位置误差引起的反馈作用非常小,从而影响落点精度的主要因素是惯性器件的误差。
但随着全程制导飞行时间的量级增加,现有的简化流程方案已显露出不足,表现为长时间飞行时舒拉周期的影响、地球几何模型的影响、重力异常的影响等都会导致分离的误差系数偏离真值较大,从而导致制导精度下降。
考虑到弹道导弹相对于飞机、潜艇等工作时间相对较短,可认为姿态误差相对较小,在惯性导航误差传播过程中可忽略姿态误差的反馈作用,本发明公开了一种基于速度误差开环修正的提高惯性制导精度的方法。
如图3,在本实施例中,该基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,包括:
步骤101,对速度环境函数进行闭环反馈。
步骤102,获取惯性制导遥外测速度误差。
其中,δvx、δvy和δvz分别表示导弹在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的速度分量。
步骤103,根据飞行环境函数关系,构建制导工具误差模型。
在本实施例中,制导工具误差模型满足线性关系。
确定环境函数矩阵C:
确定制导工具误差系数X:
构建制导工具误差模型:Y=CX。
优选的,在本实施例中有:
其中,Ne表示发射点地球坐标系中的重力加速度误差矩阵。
优选的,在本实施例中有:
优选的,在本实施例中有:
Aφ=[Aφ1 Aφ2 Aφ3]
步骤104,根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值。
在本实施例中,根据速度环境函数,采用最小二乘法,对X=(CTC)-1CTY进行求解,得到制导工具误差的值;其中,在对X=(CTC)-1CTY的求解过程中采用显著性检验,将不显著的状态变量直接置为零。
步骤105,根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,以提高惯性制导精度。
在本实施例中,采用求解出的制导工具误差的值,直接对惯性制导遥外测速度观测量进行补偿:ΔY=Y-CX;其中,ΔY表示补偿后的残差。
实施例2
在上述实施例的基础上,下面结合一个具体实例进行说明。
惯性制导导弹的落点精度主要取决于制导工具误差,在飞行过程中,遥测导航速度包含陀螺仪、加速度计等惯性器件引起的制导工具误差,外测实时测量出弹体的运动速度并作为基准信息。通过对飞行遥外测数据求差,可估计出各项工具误差系数的值。
(1)构建制导工具误差模型
加速度计组合误差模型为:
其中,δfx、δfy、δfz表示X、Y和Z轴对应的三个加速度计测量误差;k0x、k0y和k0z分别表示X、Y和Z加表零偏;δkx、δky和δkz分别表示X、Y和Z加表线性度;δKax、δKay和δKaz分别表示X、Y和Z加表不对称性;kxy表示Y加速度计相对X轴的安装误差角,kzy表示Y加速度计相对Z轴的安装误差角,kyx表示X加速度计相对Y轴的安装误差角,kzx表示X加速度计相对Z轴的安装误差角,kxz表示Z加速度计相对X轴的安装误差角,kyz表示Z加速度计相对Y轴的安装误差角;K2x表示X加表二次项,K2y表示Y加表二次项,K2z表示Z加表二次项;δK2x表示X加表奇二次项,δK2y表示Y加表奇二次项,δK2z表示Z加表奇二次项;Kxxy表示X加速度计与X、Y相关的交叉耦合项,Kxxz表示X加速度计与X、Z相关的交叉耦合项,Kxyz表示X加速度计与Y、Z相关的交叉耦合项,Kyxy表示Y加速度计与X、Y相关的交叉耦合项,Kyxz表示Y加速度计与X、Z相关的交叉耦合项,Kyyz表示Y加速度计与Y、Z相关的交叉耦合项,Kzxy表示Z加速度计与X、Y相关的交叉耦合项,Kzxz表示Z加速度计与X、Z相关的交叉耦合项,Kzyz表示Z加速度计与Y、Z相关的交叉耦合项;K3x表示X加表三次项,K3y表示Y加表三次项,K3z表示Z加表三次项。
陀螺仪组合误差模型为:
其中,εx、εy、εz表示X、Y和Z轴对应的三个陀螺仪的测量误差,DFx表示X陀螺仪常值漂移,DFy表示Y陀螺仪常值漂移,DFz表示Z陀螺仪常值漂移,D1x表示X陀螺仪与ax相关的一次项系数、D2x表示X陀螺仪与ay相关的一次项系数、D3x表示X陀螺仪与az相关的一次项系数,D4x表示X陀螺仪与相关的二次项系数、D5x表示X陀螺仪与相关的二次项系数、D6x表示X陀螺仪与相关的二次项系数,D7x表示X陀螺仪与axay相关的交叉耦合项系数、D8x表示X陀螺仪与ayaz相关的交叉耦合项系数、D9x表示X陀螺仪与axaz相关的交叉耦合项系数,D1y表示Y陀螺仪与ax相关的一次项系数、D2y表示Y陀螺仪与ay相关的一次项系数、D3y表示Y陀螺仪与az相关的一次项系数,D4y表示Y陀螺仪与相关的二次项系数、D5y表示Y陀螺仪与相关的二次项系数、D6y表示Y陀螺仪与相关的二次项系数,D7y表示Y陀螺仪与axay相关的交叉耦合项系数、D8y表示Y陀螺仪与ayaz相关的交叉耦合项系数、D9y表示Y陀螺仪与axaz相关的交叉耦合项系数,D1z表示Z陀螺仪与ax相关的一次项系数、D2z表示Z陀螺仪与ay相关的一次项系数、D3z表示Z陀螺仪与az相关的一次项系数,D4z表示Z陀螺仪与相关的二次项系数、D5z表示Z陀螺仪与相关的二次项系数、D6z表示Z陀螺仪与相关的二次项系数,D7z表示Z陀螺仪与axay相关的交叉耦合项系数、D8z表示Z陀螺仪与ayaz相关的交叉耦合项系数、D9z表示Z陀螺仪与axaz相关的交叉耦合项系数。
速度环境函数矩阵为C=[C1 C2 … Cm]。
则制导工具误差模型为:
Y=CX
加速度计误差系数的环境函数简化为:
陀螺仪误差系数的环境函数简化为:
采用最小二乘法,经过相关性和显著性检验后的误差模型为:
其中,K3x=1.8×10-6g/g3、k0y=2.6×10-4g、δK2y=2.99×10-5g/g2、Kyxz=-9.7×10-5g/g2、DFx=-0.40°/h、DFy=-0.42°/h、DFz=-0.14°/h;其余各项误差系数为零。
把上述各项误差系数代入导航算法,与外测数据求差,得到遥外测速度误差见图5,可以看出,其速度误差不为零,且有较大偏差。
(3)采用新结构矩阵后,求解新的制导工具误差系数
采用本发明给出的闭环反馈环境函数为:
构成的结构矩阵为:
经过相关性和显著性检验后采用最小二乘法,求得新的误差模型为:
其中,k′0x=3.24×10-5g、K′xxy=2.80×10-5g/g2、k′0y=1.21×10-4g、δK′2y=1.1×10-4g/g2、K′3y=-1.50×10-5g/g3、D′Fx=-0.40°/h、D′Fy=-0.42°/h、D′1z=-3.60°/h/g、D′4z=-11.24°/h/g。
(4)误差补偿
把上述各项误差系数进行补偿,并代入导航算法,与外测数据求差,得到遥外测速度误差见图6,可以看出,补偿效果较好,均值为零,提高了制导精度。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,其特征在于,包括:
对速度环境函数进行闭环反馈;
其中,所述制导工具误差模型满足线性关系;
根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值;
根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,以提高惯性制导精度;
其中:
其中,δvx、δvy和δvz分别表示导弹在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的速度分量;i=1,2,…N,采样间隔周期为ΔT,对应的时间ti=ΔT,2ΔT,…NΔT;xaj表示与加速度计相关的误差系数,j=1,2,…p;xgk表示陀螺仪有关的误差系数,k=1,2,…q;表示从安装三个加速度计的本体坐标系至发射点地球坐标系的坐标变换矩阵,表示三个加速度计的测量输出误差矢量,ωie,x、ωie,y和ωie,z分别表示ωie在发射点地球坐标系O-XYZ的三个轴上的分量,Ne表示重力加速度误差矩阵;表示三个陀螺仪的测量输出误差矢量,Aφ表示姿态角误差至速度误差的环境函数矩阵,Aε表示陀螺仪误差系数至姿态角误差的环境函数矩阵;φx、φy和φz分别表示弹体相对于发射点地球坐标系的三个方向的姿态角分量。
6.根据权利要求1所述的基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,其特征在于,根据速度环境函数,采用最小二乘法求解出制导工具误差的值,包括:
根据速度环境函数,采用最小二乘法,对X=(CTC)-1CTY进行求解,得到制导工具误差的值;其中,在对X=(CTC)-1CTY的求解过程中采用显著性检验,将不显著的状态变量直接置为零。
7.根据权利要求6所述的基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法,其特征在于,根据求解出的制导工具误差的值,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,包括:
采用求解出的制导工具误差的值,直接对惯性制导遥外测速度观测量进行补偿:ΔY=Y-CX;其中,ΔY表示补偿后的残差。
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