CN111721282B - 一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法 - Google Patents

一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于天文导航原理的捷联惯性导航设备姿态动态精度鉴定方法，方法包括以下步骤：一是利用经纬仪获取恒星实测指向；二是通过提取星库数据计算恒星理论指向；三是通过坐标转换获取恒星实测指向和理论指向之间的误差；四是修正误差实现捷联惯导的坐标取齐。本发明建立一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法，打破了捷联惯导坐标取齐需要静态的局限，解决了捷联惯导坐标取齐周期长、耗资大的难题，该方法可以在动态条件下实现捷联惯导坐标取齐，使用灵活而且经济实惠。

Description

一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法
技术领域
本发明涉及一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法。属于惯性导航技术领域。
背景技术
捷联惯导为航天测量船提供精确的姿态信息，为船体提供坐标基准数据。作为坐标基准，该设备必须进行坐标取齐才能使用，然而目前的坐标取齐手段极不方便。
传统的做法是结合船体维护，在船舶进入船坞坐墩的静态情况下才能进行。船舶进入船坞坐墩一方面耗资巨大，另一方面周期较长，几年才能有一次机会。进坞静态条件下的坐标取齐在经济效应和时间效应两个方面都完全无法满足捷联惯导坐标系取齐需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法，可以在动态条件下完成捷联惯导坐标系取齐。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、利用经纬仪获取恒星实测指向
1)光电经纬仪直接测量值A″ij、E″ij是由编码器输出和脱靶量输出两部分合成，即：
A″ij＝A″ij编码+A″ij脱靶；E″ij＝E″ij编码+E″ij脱靶 (1)
2)对A″ij、E″ij进行轴系差、零位差修正，得到i星点在光电经纬仪甲板系的方位角A′ij、俯仰角E′ij，即：
Figure BDA0002484143550000021
其中：A0、E0为方位、俯仰零位；C为照准差；Am为竖轴差幅度；AH为竖轴差最大倾斜方向；b为横轴差。
3)记i星点的第j个采样点的采样时刻为tij，则tij时刻i星点在船体坐标系中的指向
Figure BDA0002484143550000022
可由A′ij、E′ij表示为：
Figure BDA0002484143550000023
步骤二、通过提取星库数据计算恒星理论指向
1)tij时刻i星点在船体坐标系中的理论方位角
Figure BDA0002484143550000024
俯仰角
Figure BDA0002484143550000025
可由i星点的天球赤经αij、天球赤纬δij、测星点经度λij、测星点纬度
Figure BDA0002484143550000026
地方时t′ij精确计算得到：
Figure BDA0002484143550000027
其中：τij为i星点的地方时角；i星点的天球赤经、天球赤纬可在天文年历中查得；
2)根据(4)式理论方位角
Figure BDA0002484143550000028
俯仰角
Figure BDA0002484143550000029
可将tij时刻i星点在地理坐标系中的真实指向表示为：
Figure BDA00024841435500000210
步骤三、通过坐标转换获取恒星实测和理论指向误差
1)根据坐标系的转换关系有：
Figure BDA0002484143550000031
记捷联惯导坐标系为b′系，输出的姿态矩阵可表示为
Figure BDA0002484143550000032
则船体坐标系的姿态矩阵
Figure BDA0002484143550000033
可由输出
Figure BDA0002484143550000034
表示为：
Figure BDA0002484143550000035
2)将(7)式代入(6)式，即得：
Figure BDA0002484143550000036
其中：
Figure BDA0002484143550000037
均为已知数据；
Figure BDA0002484143550000038
描述捷联惯导坐标系与船体坐标系的偏差；
步骤四、修正误差实现捷联惯导的坐标取齐
1)将多组测量数据代入(8)式，联立方程即得：
Figure BDA0002484143550000039
因此，
Figure BDA00024841435500000310
可表示为：
Figure BDA00024841435500000311
Figure BDA00024841435500000312
即为捷联惯导的坐标系偏差矩阵，得解。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明建立一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法，打破了捷联惯导坐标取齐需要静态的局限，解决了捷联惯导坐标取齐周期长、耗资大的难题，该方法可以在动态条件下实现捷联惯导坐标取齐，使用灵活而且经济实惠。主要内容涉及获取恒星实测指向，计算恒星理论指向，恒星实测指向和理论指向坐标转换以及坐标取齐误差修正四个方面。
附图说明
图1为本发明实施例中精确取齐后捷联惯导纵摇角误差复检图。
图2本发明实施例中精确取齐后捷联惯导横摇角误差复检图。
图3本发明实施例中精确取齐后捷联惯导航向角误差复检图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例是一种动态捷联惯导坐标系取齐方法，方法包括以下步骤：一是恒星实测指向的获取；二是恒星理论指向的获取；三是坐标矩阵转换；四是坐标取齐实现。
二、实施过程
在码头系泊或船舶航行的情况下，通过捷联惯导(与光电经纬仪基座固联)引导光电经纬仪测量恒星实现捷联惯导坐标系的精确取齐。
实施过程如下：捷联惯导设备开机，用捷联惯导伺服光电经纬仪测出仰角在20°～60°之间、方位间隔大体一致的n颗星，每颗星录取m组数据，得到每颗星在经纬仪测量系的实际观测值A″ij、E″ij(i表示星号；j表示采样号)，同步录取采样时刻的时间、船位和捷联惯导的姿态角信息输出值。
为抑制经纬仪测量误差的影响，要求每组测星的星数较多，且尽量在各方向均匀分布；为减小捷联惯导姿态测量误差的影响，要求捷联惯导工作稳定后进行1～2天的多次测星，测星间隔尽量均匀。下面给出具体的操作要点：
1、捷联惯导系统开机8h后开始利用捷联惯导引导光电经纬仪间隔测星，测星间隔为2～4h左右；
2、测星时选星16颗以上，尽量均匀分布，每个象限4颗星以上；
3、总共进行10次以上有效测星；若实际测星数量小于10颗或有1个或多个象限没有测到星则认为该次测星无效；
4、坐标系精确取齐后进行一次测星检验：利用捷联惯导引导经纬仪进行1次测星，测星完成后计算捷联惯导姿态角误差，若水平误差小于10″，方位误差小于20″～30″，则认为坐标取齐结果有效。
实施例：
1、实施使用一套捷联惯导(SINS)，该捷联惯导与光电经纬仪基座固联。
在坞内标校取齐值：[-0.4758°，-0.0299°，180.2523°](纵摇、横摇、航向)的基础上进行动态取齐，获取纵摇、横摇及航向的微调量，实现动态坐标系精确取齐。
坐标精确取齐原始测星结果如表1所示。
表1中每一组测星解算得到的姿态误差即为
Figure BDA0002484143550000051
的解算值。
为进一步提高精度，坐标取齐时取11次测星得到的
Figure BDA0002484143550000052
平均值为最终修正量。由表1可得，光电经纬仪与捷联惯导纵摇(ΔΨ)、横摇(Δθ)和航向(ΔK)误差均值分别为-6.14″、9.49″、-1.57″，标准差分别为3.43″、2.36″、4.68″。将误差均值修正，实现坐标精确取齐。
表1坐标取齐原始测星结果
Figure BDA0002484143550000053
2、坐标系精确取齐后进行多次测星检验，检验结果如表2和图1、图2、图3所示。捷联惯导纵、横摇误差的平均值分别为3.73″、1.26″，标准差分别为2.35″、3.46″，小于10″；航向误差的平均值为1.96″，标准差为4.76″，小于20″；取齐精度满足指标要求。
表2精确取齐后捷联惯导姿态角误差复检结果
Figure BDA0002484143550000054
Figure BDA0002484143550000061
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、利用经纬仪获取恒星实测指向
1)光电经纬仪直接测量值A″ij、E″ij是由编码器输出和脱靶量输出两部分合成，即：
A″ij＝A″ij编码+A″ij脱靶；E″ij＝E″ij编码+E″ij脱靶 (1)
2)对A″ij、E″ij进行轴系差、零位差修正，得到i星点在光电经纬仪甲板系的方位角A′ij、俯仰角E′ij，即：
Figure FDA0003538680520000011
其中：A0、E0为方位、俯仰零位；C为照准差；Am为竖轴差幅度；AH为竖轴差最大倾斜方向；b为横轴差；
3)记i星点的第j个采样点的采样时刻为tij，则tij时刻i星点在船体坐标系中的指向
Figure FDA0003538680520000012
可由A′ij、E′ij表示为：
Figure FDA0003538680520000013
步骤二、通过提取星库数据计算恒星理论指向
1)tij时刻i星点在船体坐标系中的理论方位角
Figure FDA0003538680520000014
俯仰角
Figure FDA0003538680520000015
可由i星点的天球赤经αij、天球赤纬δij、测星点经度λij、测星点纬度
Figure FDA0003538680520000016
地方时t′ij精确计算得到：
Figure FDA0003538680520000021
其中：τij为i星点的地方时角；i星点的天球赤经、天球赤纬可在天文年历中查得；
2)根据(4)式理论方位角
Figure FDA0003538680520000022
俯仰角
Figure FDA0003538680520000023
可将tij时刻i星点在地理坐标系中的真实指向表示为：
Figure FDA0003538680520000024
步骤三、通过坐标转换获取恒星实测和理论指向误差
1)根据坐标系的转换关系有：
Figure FDA0003538680520000025
记捷联惯导坐标系为b′系，输出的姿态矩阵可表示为
Figure FDA0003538680520000026
则船体坐标系的姿态矩阵
Figure FDA0003538680520000027
可由输出
Figure FDA0003538680520000028
表示为：
Figure FDA0003538680520000029
2)将(7)式代入(6)式，即得：
Figure FDA00035386805200000210
其中：
Figure FDA00035386805200000211
均为已知数据；
Figure FDA00035386805200000212
描述捷联惯导坐标系与船体坐标系的偏差；
步骤四、修正误差实现捷联惯导的坐标取齐
1)将多组测量数据代入(8)式，联立方程即得：
Figure FDA0003538680520000031
因此，
Figure FDA0003538680520000032
可表示为：
Figure FDA0003538680520000033
Ξ为公式(9)中的
Figure FDA0003538680520000034
Λ为公式(9)中的
Figure FDA0003538680520000035
得解。
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