CN115326008A - 一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法 - Google Patents

一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法 Download PDF

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CN115326008A CN202210862963.7A CN202210862963A CN115326008A CN 115326008 A CN115326008 A CN 115326008A CN 202210862963 A CN202210862963 A CN 202210862963A CN 115326008 A CN115326008 A CN 115326008A
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Abstract

本发明涉及一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，包括以下步骤：一是经纬仪测星，记录星体理论和实测指向；二是利用惯性导航系统输出姿态将实测指向转换到地平系，并计算星体大地角误差；三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。该方法可以在动态条件下实现惯导系统姿态误差和时间延迟估计，操作简单方便、自动化程度高、估计精度高，具有较强的工程应用价值。

Description

一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态 估计方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，尤其涉及一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法。
背景技术
航天测量船上搭载的测量设备一般采用单站定位体制，且平台在运动。因此，要想获得高精度的目标信息，船载惯性导航系统提供的姿态信息精度至为关键。由于缺少更高精度的参考基准，动态条件下如何检测惯导系统姿态角精度一直是比较困难的问题。
CNKI库中《经纬仪测星评估惯导系统姿态角误差方法》(潘良、赵文华、刘新明、赵李健；中国惯性技术学报；2011年6月第3期)一文公开了一种利用经纬仪测星解算惯导姿态角误差的方法。但由于未考虑机抖激光陀螺惯性导航系统输出中较大的时间延迟，导致动态条件下姿态误差估计精度较差。此外，为保证估计精度，一般需要测量至少10颗以上象限分布均匀的恒星，而这在不良天气下是无法实现的。
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恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法。该方法可以同时估计惯导系统的姿态误差和时间延迟，有效补偿时间延迟的影响，显著提高惯导姿态误差估计的精度和可用性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、经纬仪测星，记录星体理论和实测指向；
利用经纬仪内置星表信息及卫星导航系统提供的位置和时间信息，经纬仪系统软件可进行恒星岁差改正、自行改正、章动改正、光行差改正等天文计算，得到星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E。
当经纬仪对恒星观测时，经纬仪直接测量值由编码器输出AEncoder、EEncoder和脱靶量输出AMiss、EMiss两部分组成，即：
Figure BDA0003757808650000021
经轴系参数和蒙气差修正后，可得经纬仪在甲板系下的实测指向：
Figure BDA0003757808650000022
式中，Ac、Ec为修正后的经纬仪实测指向，.A0.、E0为方位、俯仰零位，V、Vα为垂直轴误差幅值和最大倾斜方向，B为横轴差，C为照准差，EAir为蒙气差修正量，可由下式近似计算：
Figure BDA0003757808650000023
其中，T为温度，P为大气压强。
步骤二、利用惯性导航系统输出姿态将实测指向转换到地平系，并计算星体大地角误差；
步骤一中给出的星体理论指向(A,E)由天文计算得出，可忽略计算误差。实测指向(Ac,Ec)因经纬仪测角精度很高，也是非常准确的。因此，有如下关系式成立：
Figure BDA0003757808650000024
其中，
Figure BDA0003757808650000025
为甲板坐标系(b系)到地平坐标系(n系)的姿态旋转矩阵，rn、rb分别为星体视线单位矢量在n系和b下的投影，可表示成如下形式：
Figure BDA0003757808650000026
实际中，经纬仪接收到的惯导姿态信息只能计算得到
Figure BDA0003757808650000027
其主要误差包含两方面误差：一是惯导的真实姿态误差；二是时间延迟Δt带来的误差。将惯导计算姿态矩阵
Figure BDA0003757808650000028
带入(17)式，则地平系下的惯导计算星体视线矢量可表示为如下形式：
Figure BDA0003757808650000031
式中，
Figure BDA0003757808650000032
分别表示经纬仪实测值经惯导计算姿态矩阵转换后的大地方位角和俯仰角，可计算如下：
Figure BDA0003757808650000033
惯导转换的星体大地角误差可计算如下：
Figure BDA0003757808650000034
步骤三、惯导系统姿态误差及时间延迟估计。
将Error！Reference source not found.式与(17)式做差并忽略二阶小量，可得如下关系式：
Figure BDA0003757808650000035
式中，φ＝[-φN φU -φE]T为失准角误差矢量，
Figure BDA0003757808650000036
为船摇角速度在b系下的投影，可表示如下：
Figure BDA0003757808650000037
其中，ωθ、ωψ、ωK分别表示船体的横摇角、纵摇角和航向角。
记
Figure BDA0003757808650000038
则将Error！Reference source not found.式展开并化简可得出如下关系：
Figure BDA0003757808650000039
其中，
Figure BDA00037578086500000310
当观测至少两颗恒星时，可以获取多个观测量ΔAi、ΔEi(i＝1,2,...,k)，令
Figure BDA0003757808650000041
H＝[ΔA1 ΔE1 … ΔAk ΔEk]T (13)
X＝[φU φE φN Δt]T (14)
用最小二乘法解由Error！Reference source not found.式组成的方程组，得：
X＝(FTF)FTH (15)
由此，可同时估计惯导姿态误差φ＝[-φN φU -φE]T和时间延迟Δt。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一是能够同时估计惯导系统的姿态角误差和时间延迟，解决了现有技术动态姿态误差估计精度差的问题；二是基于测量船现有条件实现，操作简单方便，自动化程度高，且在恶劣海况和不良天气下也可保证较高的估计精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为经纬仪与捷联惯导安装关系示意图；
图3为星体理论方位角和俯仰角曲线；
图4为惯导计算星体大地角误差曲线；
图5为惯导姿态误差估计结果曲线；
图6为惯导时间延迟估计结果曲线；
图7为惯导姿态误差及时间延迟补偿后星体大地角误差。
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。
图1为本发明的流程示意图，一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，包含以下步骤：：一是经纬仪测星，记录星体理论和实测指向；二是利用惯性导航系统输出姿态将实测指向转换到地平系，并计算星体大地角误差；三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。
实施例：
实施过程基于某测量船搭载的某型捷联惯导和某型光学经纬仪进行。设备安装关系如图2所示。捷联惯导与经纬仪安装在同一吊桶，保证了设备间的刚性连接，试验前惯导与光学设备已在坞内进行坐标系取齐。
1、经纬仪测星，记录星体理论和实测指向
经纬仪内置星表基于第五基本星表(FK5)建立，具体格式及示例如表1所示。利用表1中信息及卫星导航设备提供的位置和时间信息，经纬仪系统软件可解算星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E。
表1系统内置星表格式及示例
Figure BDA0003757808650000051
试验过程中，通过捷联惯导引导经纬仪观测仰角在20°～60°之间、方位分布均匀的n颗星，每颗星录取2s数据，同步录取采样时刻的时间、船位和惯导姿态角信息。为更好的说明试验效果，本实施例共观测16颗星，每颗星跟踪40s，其方位角A和俯仰角E分布如图3所示。
经纬仪直接观测到的编码器和脱靶量信息经轴系参数和蒙气差修正得到甲板系下的实测方位角Ac和俯仰角Ec。
2、利用惯性导航系统输出姿态将实测指向转换到地平系，并计算星体大地角误差
首先，通过经纬仪实测方位角Ac和俯仰角Ec，计算星体在甲板系下的矢量rb＝[cosEc cos Ac sin Ec cos Ec sin Ac]T，进而可给出地平系下的惯导计算星体视线矢量
Figure BDA0003757808650000052
则有：
Figure BDA0003757808650000053
其中，
Figure BDA0003757808650000054
需要根据方位角定义进行象限判断。最后，可得惯导计算大地角误差值
Figure BDA0003757808650000061
本实施例中计算结果见图4。
3、利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟
为了验证算法的精度和可用性，试验中分别取2颗、16颗恒星的随机2s数据参与解算，每组计算50次，姿态角误差和时间延迟估计曲线分别如图5、图6所示，统计结果如表2所示。可见，算法的重复性精度高，而且在仅用2颗星数据时也能够得到较高的估计精度，保证了算法在不良天气条件下观星比较少时的可用性。利用2颗星解算结果的均值补偿惯导姿态误差和时间延迟后，重新计算星体大地角误差曲线如图7所示。可见，惯导计算星体大地角误差对比图4明显变小，表明惯导姿态误差和时间延迟得到准确估计和补偿。
Figure BDA0003757808650000062
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：一是经纬仪测星，记录星体理论和实测指向；二是利用惯性导航系统输出姿态将实测指向转换到地平系，并计算星体大地角误差；三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、利用经纬仪内置星表信息及卫星导航系统提供的位置和时间信息，经纬仪系统软件进行天文计算，得到星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E；
步骤二、根据关系式
Figure FDA0003757808640000011
将惯导计算姿态矩阵
Figure FDA0003757808640000012
带入后得到惯导计算星体视线矢量：
Figure FDA0003757808640000013
根据上述公式计算得到经纬仪实测值经惯导计算姿态矩阵转换后的大地方位角和俯仰角：
Figure FDA0003757808640000014
则惯导转换的星体大地角误差可由以下公式计算得到：
Figure FDA0003757808640000015
其中，
Figure FDA0003757808640000016
为甲板坐标系(b系)到地平坐标系(n系)的姿态旋转矩阵，rn、rb分别为星体视线单位矢量在n系和b下的投影，
Figure FDA0003757808640000017
分别表示经纬仪实测值经惯导计算姿态矩阵转换后的大地方位角和俯仰角；
步骤三、将(5)式与(4)式做差并忽略二阶小量，得如下关系式：
Figure FDA0003757808640000021
式中，φ＝[-φN φU -φE]T为失准角误差矢量，
Figure FDA0003757808640000022
为船摇角速度在b系下的投影，表示如下：
Figure FDA0003757808640000023
其中，ωθ、ωψ、ωK分别表示船体的横摇角、纵摇角和航向角，记船摇角速度在n系下的投影
Figure FDA0003757808640000024
则将Error！Reference source not found.式展开并化简可得出如下关系：
Figure FDA0003757808640000025
其中，
Figure FDA0003757808640000026
当观测至少两颗恒星时，可以获取多个观测量ΔAi、ΔEi(i＝1,2,...,k)，令
Figure FDA0003757808640000027
H＝[ΔA1 ΔE1 … ΔAk ΔEk]T
X＝[φU φE φN Δt]T
用最小二乘法解由Error！Reference source not found.式组成的方程组，得：X＝(FTF)FTH
由此，可同时估计惯导姿态误差φ＝[-φN φU -φE]T和时间延迟Δt。
3.根据权利要求2所述的一种基于恒星观测的船载惯导系统姿态误差和时间延迟动态估计方法，其特征在于：所述步骤一中的星体理论方位角A和俯仰角E通过以下方式获取：
当经纬仪对恒星观测时，经纬仪直接测量值由编码器输出AEncoder、EEncoder和脱靶量输出AMiss、EMiss两部分组成，即：
Figure FDA0003757808640000031
经轴系参数和蒙气差修正后，可得经纬仪在甲板系下的实测指向：
Figure FDA0003757808640000032
式中，Ac、Ec为修正后的经纬仪实测指向，A0、E0为方位、俯仰零位，V、Vα为垂直轴误差幅值和最大倾斜方向，B为横轴差，C为照准差，EAir为蒙气差修正量，可由下式近似计算：
Figure FDA0003757808640000033
其中，T为温度，P为大气压强。
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