CN113155150A - 一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法 - Google Patents

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张志利
周召发
赵军阳
冯磊
管世印
梁哲
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    • 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
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Abstract

一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法，根据凝固载体系下重力矢量绕地轴进行旋转的运动规律和陀螺输出，对加表量测数据进行投影在初始时刻载体坐标系内投影点进行空间圆拟合，空间圆圆心矢量即为地轴在凝固载体系下的表述，根据地轴、重力矢量、地理北向之间的三角关系得到对应时刻的地理坐标系，从而得到导航坐标系与载体坐标系之间的旋转矩阵，实现晃动基座的粗对准。同现有技术相比相比的优越性在于：不需要知道对准点得到精确经纬度；通过数据拟合，充分利用对准数据减轻了角晃动产生的误差影响，大幅度提高了对准精度水平；减少了姿态矩阵的链乘次数，算法未用到正常重力场下重力的描述，可以消除因重力的扰动造成的对准误差。

Description

一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法
技术领域
本发明属于地球物理、大地测量、自主定向技术领域，涉及一种基于凝固载体坐标系 的惯导初始姿态解算方法。
背景技术
初始对准是确定载体坐标系与参考导航坐标系之间相对空间方位的过程，常用的导航 坐标系有东—北—天地理坐标系(适用于地球表面导航)、地心惯性坐标系(常用于星际 导航)等，初始对准的精度直接关系到后续导航定位精度的高低。
传统的对准方法包括双矢量定姿、凝固坐标系对准、多矢量对准等，其思路均为观察 不同矢量在两个坐标系的不同表征来完成初始对准，矢量的选择通常包括单一时刻的重力 矢量、不同时间段的重力矢量叠积分以及地球自转角速度等，其对准过程均需要知道精确 的地理纬度，从而得到不同时刻重力矢量在地理坐标系内的表达，但实际情况下，精确的 地理纬度往往无法得知。在正常重力模型中，我们通常认为重力矢量在地理坐标系内的表 达为[0 0 -g]，其中g的大小根据正常重力模型进行计算，而真实重力矢量在地理坐标 系下的表述往往不等于[0 0 -g]，二者之间存在重力异常，也因此在初始对准过程中引入了误差，该误差可以等效为加速度计的偏值误差，导致粗对准精度不高。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种在未知纬度的情况下，不采用正常重 力模型下的地理坐标系表述方式，直接通过矢量空间计算来得到地理坐标系在载体坐标系 下的表述，完成初始对准的凝固载体坐标的惯导初始姿态确定方法。
现将本发明方法构思及技术解决方案叙述如下：
本发明的基本构思是：根据凝固载体系下重力矢量绕地轴进行旋转的运动规律，根据 陀螺输出，对加表量测数据进行投影在初始时刻载体坐标系内，并对投影点进行空间圆拟 合，空间圆圆心矢量即为地轴在凝固载体系下的表述，根据地轴、重力矢量、地理北向之 间的三角关系得到对应时刻的地理坐标系，从而得到导航坐标系与载体坐标系之间的旋转 矩阵，实现晃动基座的粗对准。
根据上述构思，本发明提供一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法，其特征在于：在未 知纬度情况下，通过将加表测量重力矢量投影在凝固载体坐标系内，并进行空间矢量的运算来构建对应 时刻的地理坐标系，从而达到对准目的；在进行重力矢量数据处理时，使用空间圆拟合的方法来对投影 后的重力矢量进行处理，从而减小加表测量误差产生的误差影响，由于没有使用[0 0 -g]T的重力 表述，规避了地理坐标系下的重力矢量的表述，从而减小重力异常对初始对准的影响，具体包括如下 步骤：
步骤1：以地理系“东—北—天”为导航坐标系n，载体坐标系定义为b系，将初始 时刻的载体系进行凝固，称之为b0系；根据陀螺输出进行姿态更新，将对准时间内的加速 度计测量矢量投影至b0系，同时得到矩阵
Figure BDA0002740106330000021
步骤2：在b0系内对加速度测量矢量进行空间圆拟合，完成数据处理，进行空间圆拟 合主要实现减小加速度计测量随机漂移、常值漂移的误差影响并得到拟合圆圆心；
步骤3：根据重力矢量的旋转锥面特性，拟合圆的圆心矢量即为地轴在b0系的投影， 重力矢量与地轴与该时刻的地理北向构成一直角三角形，利用该三角形关系可以得到该时 刻的地理北向
Figure BDA0002740106330000022
重力矢量反向即为天向轴
Figure BDA0002740106330000023
地理东向
Figure BDA0002740106330000024
即为
Figure BDA0002740106330000025
对应的
Figure BDA0002740106330000026
即为矩阵
Figure BDA0002740106330000027
步骤4：通过矩阵传递关系
Figure BDA0002740106330000028
完成初始对准。
本发明进一步提供一种凝固载体坐标的惯导初始姿态确定方法，其特征在于：步骤2 中所述的采用空间圆拟合的方法对加速度计测量投影数据进行处理，具体步骤如下：
步骤2.1：设所有投影重力矢量
Figure BDA0002740106330000029
i＝1、2、3...n，均满足最佳拟合共面 方程，满足误差观测量D：
Figure BDA00027401063300000210
根据最小二乘理论,平面法向量为
[a,b,c]T＝(ATA)-1ATI (2)
其中
Figure BDA0002740106330000031
步骤2.2：推导空间圆与半径，根据圆心(x0,y0,z0)与任意弦中点连线垂直于弦的特点 得到：
Figure BDA0002740106330000032
又圆心位于2.1所求平面内，由此构建观测误差方程组
Figure BDA0002740106330000033
其中在[l1 l2 … ln-1]T中，
Figure BDA0002740106330000034
又X满足2.1所求平面方程[a b c]·X-1＝0，令V＝[v1 v2 … vn]T，
Figure BDA0002740106330000035
L＝[1 l1 l2 … ln-1]T
有：
V＝F·X-L (6)
此式即间接平差模型，令权值矩阵为1，即权值矩阵P为单位阵，可得X的最小二乘解为
X＝(FTPF)-1FTPl (7)
拟合圆半径
Figure BDA0002740106330000036
在得到圆心与半径后，可 得到空间圆方程为
Figure BDA0002740106330000037
本发明同现有技术相比的优越性在于：不需要知道对准点得到精确经纬度；通过数据 拟合，充分利用对准数据减轻了角晃动产生的误差影响，大幅度提高了对准精度水平；减 少了姿态矩阵的链乘次数，算法未用到正常重力场下重力的描述，可以消除因重力的扰动 造成的对准误差。
附图说明
图1：数据拟合空间圆示意图
图2：中间时刻参考坐标系X轴侧视图
具体实施方式
现结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
图1为数据拟合空间圆示意图对对准时间内的加速度计数据进行投影，并进行空间圆 拟合，得到空间圆的圆心即为所求的地轴在载体系的表述。
图2为构建地理坐标系的示意图。如图所示，在b0系内，地轴与重力矢量及地理北向 构成了直角三角形关系，且重力矢量与地轴夹角为90°-lat，通过三角关系可得到该时刻 的地理北向，通过矢量叉乘得到地理东向，从而构建地理坐标系。
实施例
步骤1：设定晃动基座仿真时间为1min，采样率为10hz，陀螺的常值零位漂移为0.01°/h、随机游走系数为
Figure BDA0002740106330000041
加速度的常值偏移为5×10-4g、随机游走系数为
Figure BDA0002740106330000042
姿态角变化状态为：
Figure BDA0002740106330000043
根据姿态角变化序列，得到一组惯组仿真数据。
步骤2：利用陀螺输出值更新姿态旋转矩阵
Figure BDA0002740106330000044
将加表量测值在b0系内进行投影；
步骤3：为求得较好拟合效果，对投影向量进行一定的数据延展，拟合时采取等间隔 进行取点，最终得到拟合圆圆心为[0.3575 0.3277 0.2846]，对其进行单位化，即为凝固载体系下地轴的拟合向量。根据地轴、加速度投影矢量与地理北向轴之间的三角关系求得对应时刻的地理坐标系，根据矩阵传递关系完成对准；
步骤4：通过专利方法得到1min末时刻的粗对准结果为：[3.0037 -3.506247.483]， 传统晃动基座凝固坐标系对准结果为：[3.0063 -3.5038 46.7]。对比真值为：[3-3.5 47]。对比该方法与传统凝固坐标系方法，其水平姿态角精度相当，方位角对准精度要好于传统方法，证明了方法的有效性。
从对准结果来看，本方法的水平对准姿态角与真值的差分别为：13.32'、22.32'，传统 方法与真值的差分别为22.68'、13.68'，二者精度水平相当。本方法方位角与真值差为1.02'， 传统方法与真值差为42.516'，精度提升明显。

Claims (2)

1.一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法，其特征在于：在未知纬度情况下，通过将加表测量重力矢量投影在凝固载体坐标系内，并进行空间矢量的运算来构建对应时刻的地理坐标系，从而达到对准目的；在进行重力矢量数据处理时，使用空间圆拟合的方法来对投影后的重力矢量进行处理，从而减小加表测量误差产生的误差影响，由于没有使用[0 0 -g]T的重力表述，规避了地理坐标系下的重力矢量的表述，从而减小重力异常对初始对准的影响，具体包括如下步骤：
步骤1：以地理系“东—北—天”为导航坐标系n，载体坐标系定义为b系，将初始时刻的载体系进行凝固，称之为b0系；根据陀螺输出进行姿态更新，将对准时间内的加速度计测量矢量投影至b0系，同时得到矩阵
Figure FDA0002740106320000011
步骤2：在b0系内对加速度测量矢量进行空间圆拟合，完成数据处理，进行空间圆拟合主要实现减小加速度计测量随机漂移、常值漂移的误差影响并得到拟合圆圆心；
步骤3：根据重力矢量的旋转锥面特性，拟合圆的圆心矢量即为地轴在b0系的投影，重力矢量与地轴与该时刻的地理北向构成一直角三角形，利用该三角形关系可以得到该时刻的地理北向
Figure FDA0002740106320000012
重力矢量反向即为天向轴
Figure FDA0002740106320000013
地理东向
Figure FDA0002740106320000014
即为
Figure FDA0002740106320000015
对应的
Figure FDA0002740106320000016
即为矩阵
Figure FDA0002740106320000017
步骤4：通过矩阵传递关系
Figure FDA0002740106320000018
完成初始对准。
2.根据权利要求1所述的一种基于凝固载体坐标系的惯导初始姿态解算方法，其特征在于：步骤2中所述的采用空间圆拟合的方法对加速度计测量投影数据进行处理，具体步骤如下：
步骤2.1：设所有投影重力矢量
Figure FDA0002740106320000019
均满足最佳拟合共面方程，满足误差观测量D：
Figure FDA00027401063200000110
根据最小二乘理论,平面法向量为
[a,b,c]T＝(ATA)-1ATI
(2)
其中
Figure FDA0002740106320000021
步骤2.2：推导空间圆与半径，根据圆心(x0,y0,z0)与任意弦中点连线垂直于弦的特点得到：
Figure FDA0002740106320000022
又圆心位于2.1所求平面内，由此构建观测误差方程组
Figure FDA0002740106320000023
其中在[l1 l2 … ln-1]T中，
Figure FDA0002740106320000024
又X满足2.1所求平面方程[a b c]·X-1＝0，令V＝[v1 v2 … vn]T，
Figure FDA0002740106320000025
L＝[1 l1 l2 … ln-1]T
有：
V＝F·X-L (6)
此式即间接平差模型，令权值矩阵为1，即权值矩阵P为单位阵，可得X的最小二乘解为
X＝(FTPF)-1FTPl (7)
拟合圆半径
Figure FDA0002740106320000026
在得到圆心与半径后，可得到空间圆方程为
Figure FDA0002740106320000031
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023202262A1 (zh) * 2022-04-19 2023-10-26 千寻位置网络有限公司 应用于倾斜测量的惯导初始对准方法、装置及设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104296780A (zh) * 2014-10-16 2015-01-21 东南大学 一种基于重力视运动的sins自对准与纬度计算方法
US20180274940A1 (en) * 2015-10-13 2018-09-27 Shanghai Huace Navigation Technology Ltd A method for initial alignment of an inertial navigation apparatus
CN109084756A (zh) * 2018-06-20 2018-12-25 东南大学 一种重力视运动参数辨识与加速度计零偏分离方法
CN109931952A (zh) * 2017-12-16 2019-06-25 郑振宇 未知纬度条件下捷联惯导直接解析式粗对准方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104296780A (zh) * 2014-10-16 2015-01-21 东南大学 一种基于重力视运动的sins自对准与纬度计算方法
US20180274940A1 (en) * 2015-10-13 2018-09-27 Shanghai Huace Navigation Technology Ltd A method for initial alignment of an inertial navigation apparatus
CN109931952A (zh) * 2017-12-16 2019-06-25 郑振宇 未知纬度条件下捷联惯导直接解析式粗对准方法
CN109084756A (zh) * 2018-06-20 2018-12-25 东南大学 一种重力视运动参数辨识与加速度计零偏分离方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘锡祥等: "未知纬度条件下基于重力视运动与小波去噪的SINS自对准方法", 《中国惯性技术学报》 *
潘国荣等: "基于空间向量的空间圆形拟合检测新方法", 《大地测量与地球动力学》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023202262A1 (zh) * 2022-04-19 2023-10-26 千寻位置网络有限公司 应用于倾斜测量的惯导初始对准方法、装置及设备

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