CN115727875A - 一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法,涉及捷联惯性导航系统的初始对准技术领域。本发明是为了解决现有的惯性导航系统传递对准方法不能同时实现对杆臂误差的有效估计以及保证对准模型的无奇异性的问题。本发明对子惯性导航系统的姿态矩阵进行链式分解,从中提取出未知姿态矩阵;充分考虑主、子惯性导航系统之间存在的杆臂误差,利用主、子惯性导航系统输出的角速度测量值和比力测量值构建传递对准模型;采用修正罗德里格斯参数等价表示未知姿态矩阵,在保证模型无奇异的同时,降低模型维数;采用基本的扩展卡尔曼滤波进行状态估计,利用估计出的修正罗德里格斯参数和误差角计算相关姿态矩阵,完成传递对准。
Description
技术领域
本发明属于捷联惯性导航系统的初始对准技术领域。
背景技术
惯性导航系统(INS)是利用线运动传感器(加速度计)测量的比力信息和角运动传感器(陀螺仪)测量的角速度信息,通过导航解算,连续得到载体的位置、速度和姿态信息的一种导航方式。初始对准作为惯性导航系统的一个重要研究内容,不仅是组合导航模型线性化的重要保证,也是决定纯惯导导航精度的关键因素。而传递对准则是一种特殊的动基座初始对准技术,其利用高精度主惯性导航系统传递的导航信息,使低精度子惯性导航系统可以在较短时间内实现初始对准。相比于其他类型的初始对准方法,如卫星导航系统辅助(导航系速度或绝对位置)、多普勒计程仪辅助(载体系速度)、里程计辅助(载体系速度或相对位置)等,传递对准在对准速度和对准精度上都要有明显优势。
基于滤波的传递对准方法是传递对准领域的主流研究方向,而基于滤波的传递对准方法的关键在于构建合适的误差模型。现有的传递对准方法按照模型类型可以分为三种:φm角模型,φn角模型和惯性系传递对准模型。φm角模型和φn角模型是根据不同的失准角(即一种欧拉角)定义而建立的,由于欧拉角自身固有的转动问题以及在大安装误差角情况下一步装订操作导致的大失准角问题,导致φm角模型和φn角模型在实际应用过程中均会面临模型奇异点问题和非线性模型问题。
为了解决上述问题,在《SINS任意失准角无奇异快速传递对准》(发表于期刊《宇航学报》,2018年,第39卷,10期)一文中,提出了一种基于姿态矩阵的惯性系传递对准方法,并利用主惯性导航系统输出的测量参数(即角速度和比力),通过积分运算获得相关模型参数,实现了任意安装误差角下的传递对准。虽然该方法利用姿态矩阵建立传递对准模型,有效解决了φm角模型和φn角模型中的奇异点问题和非线性模型问题,但是未考虑主、子惯性导航系统之间的杆臂误差,导致其对准精度会在存在杆臂误差的情况下严重下降。在《基于罗德里格斯参数的惯性系传递对准算法》(发表于期刊《系统工程与电子技术》,2022年,第44卷,9期)一文中,利用罗德里格斯参数建立带有杆臂误差的传递对准模型,有效解决了杆臂误差的影响。然而,在旋转角度为π时,罗德里格斯参数存在奇异,导致该模型在实际应用中需要着重考虑奇异点问题。
综上所述,现有的惯性导航系统传递对准方法不能同时实现对杆臂误差的有效估计以及保证对准模型的无奇异性。
发明内容
本发明是为了解决现有的惯性导航系统传递对准方法不能同时实现对杆臂误差的有效估计以及保证对准模型的无奇异性的问题,现提供一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法。
一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法,包括以下步骤:
所述链式分解的表达式如下:
步骤二:将主惯性导航系统和子惯性导航系统的角速度测量值以及比力测量值分别投影在m0坐标系和s0坐标系上,并建立下式:
其中,为投影在s0坐标系上的子惯性导航系统比力测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统比力测量值,投影在s0坐标系上的子惯性导航系统角速度测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统角速度测量值,为含有误差的φs为的误差角,为子惯性导航系统中加速度计的测量误差值,为子惯性导航系统中陀螺仪的测量误差值,为主惯性导航系统的角速度测量值,为的一阶导数,(·×)表示反对称矩阵,rm为投影在主惯性导航系统体坐标系下的杆臂误差值,
所述m0坐标系和s0坐标系分别为主惯性导航系统体坐标系与子惯性导航系统体坐标系在对准初始时刻凝固得到的惯性坐标系;
步骤三:对公式二和公式三进行积分获得:
其中,I3为3维单位矩阵;
步骤五:将公式六分别代入公式四和五,变换获得:
h(x)为非线性函数且表达式如下:
进一步的,上述步骤二中,将主惯性导航系统和子惯性导航系统的角速度测量值以及比力测量值分别投影在m0坐标系和s0坐标系上的具体方法为:
进一步的,上述步骤二中,φs满足下式:
进一步的,上述步骤六中,状态转移矩阵F和状态噪声驱动矩阵G的表达式分别如下:
其中,0a×b为a×b维的零矩阵。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明方法在惯性系下建立传递对准模型,实现一步式对准,可以避免传统方法存在的大安装误差角导致的强非线性模型问题。
2、本发明考虑主、子惯性导航系统之间杆臂误差的影响,从而提高了在存在杆臂误差情况下的传递对准精度。
3、本发明方法采用修正罗德里格斯参数等价表示姿态矩阵,不仅可以有效降低模型维数,而且可以避免罗德里格斯参数存在的奇异点问题,保证了模型的非奇异性。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图;
图2为本发明所述方法和现有方法的x轴安装误差角估计结果对比图;
图3为本发明所述方法和现有方法的y轴安装误差角估计结果对比图;
图4为本发明所述方法和现有方法的z轴安装误差角估计结果对比图;
图5为本发明所述方法和现有方法的杆臂误差估计结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一:参照图1具体说明本实施方式,本实施方式所述的一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法,包括以下步骤:
所述链式分解的表达式如下:
上式中,为主惯性导航系统的角速度测量值,为主惯性导航系统的比力测量值,为子惯性导航系统的角速度测量值,为子惯性导航系统的比力测量值,为投影在s0坐标系上的子惯性导航系统角速度测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统角速度测量值,为投影在s0坐标系上的子惯性导航系统比力测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统比力测量值。
考虑投影在主惯性导航系统体坐标系下的杆臂误差值rm建立下式:
所述m0坐标系和s0坐标系分别为主惯性导航系统体坐标系与子惯性导航系统体坐标系在对准初始时刻凝固得到的惯性坐标系。
步骤三:对公式二和公式三进行积分获得:
步骤四:由于和rm之间存在耦合,导致公式四为非线性。虽然姿态矩阵不存在奇异点,但是其元数个数较多,所以为了实现模型低维和非奇异性的目标,本实施方式设为姿态矩阵对应的修正罗德里格斯参数,则姿态矩阵能够表达如下:
其中,I3为3维单位矩阵。
步骤五:将公式六分别代入公式四和五,变换获得:
公式七和公式八中多项式函数的最高阶为3,不含有三角函数,不存在奇异点或者其他约束条件,综合而言,要比采用欧拉角、四元数或经典罗德里格斯参数表示姿态矩阵更为合适。
h(x)为非线性函数且表达式如下:
0a×b为a×b维的零矩阵。
为了验证本实施方式的有益效果,利用Matlab程序对设计的基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法进行仿真,为实现对比分析:
将本实施方式所述方法定义为方法1。
将《SINS任意失准角无奇异快速传递对准》(发表于期刊《宇航学报》,2018年,第39卷,10期)一文中方法定义为方法2。
将《基于罗德里格斯参数的惯性系传递对准算法》(发表于期刊《系统工程与电子技术》,2022年,第44卷,9期)一文中方法定义为方法3。
将通过无迹卡尔曼滤波对φm角模型进行仿真的方法定义为方法4。
Matlab仿真条件设置:
1)采用摇摆轨迹生成所需主惯性导航系统和子惯性导航系统输出数据,摇摆幅值分别为:纵摇方向5°,横摇方向4°,航向方向3°,摇摆周期分别为:纵摇方向7s,横摇方向8s,航向方向9s,初始纵摇和横摇均为0°,初始航向为45°,航行速度为10m/s,离散时间为0.01s,仿真时间为35s。子惯性导航系统陀螺仪常值零偏设置为100°/h,角度随机游走系数设置为加速度计常值零偏设置为5mg,速度随机游走系数设置为主、子惯性导航系统之间的安装误差角设置为μ=[10°;10°;90°],主、子惯性导航系统之间的杆臂误差设置为rm=[2m;2m;1m]。状态噪声协方差矩阵根据子惯性导航系统器件随机游走系数设置,量测噪声协方差矩阵中姿态噪声标准差为0.01m/s,速度噪声标准差为0.005°。
2)方法1、方法2和方法3均是惯性系传递对准方法,无需对子惯性导航系统进行初始化,方法4基于传统传递对准模型,子惯性导航系统需要进行惯性导航解算,采用主惯性导航系统导航信息一步装订的方式实现初始化。
以上述仿真条件,仿真得到的结果如表1、图2~图5所示。
表1后10秒安装误差角估计误差均值和均方根(Root mean square,RMS)
由图2~图4以及表1能够看出,同方法2和方法4相比,方法1和方法3具有更高的安装误差角估计精度。由图5能够看出,同方法4相比,方法1和方法3同样具有更高的杆臂误差估计精度。对于方法2,由于其不具有估计杆臂误差的能力,因此,当存在杆臂误差时,其估计精度会受到严重影响;对于方法4,当主、子惯导之间的安装误差角为大角度时,φm角模型为强非线性模型,其估计精度也会受到严重影响。对比方法1和方法3,虽然本发明方法的基于修正罗德里格斯参数的传递对准模型要比方法3的基于罗德里格斯参数的传递对准模型在量测模型非线性度上略高,但是从估计精度上可以看出,两者几乎一致,并无明显区别,而方法1提出的传递对准模型具有非奇异性,相比方法3要更为适用。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (8)
1.一种基于修正罗德里格斯参数的无奇异传递对准方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述链式分解的表达式如下:
步骤二:将主惯性导航系统和子惯性导航系统的角速度测量值以及比力测量值分别投影在m0坐标系和s0坐标系上,并建立下式:
其中,为投影在s0坐标系上的子惯性导航系统比力测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统比力测量值,投影在s0坐标系上的子惯性导航系统角速度测量值,为投影在m0坐标系上的主惯性导航系统角速度测量值,为含有误差的φs为的误差角,为子惯性导航系统中加速度计的测量误差值,为子惯性导航系统中陀螺仪的测量误差值,为主惯性导航系统的角速度测量值,为的一阶导数,(·×)表示反对称矩阵,rm为投影在主惯性导航系统体坐标系下的杆臂误差值,
所述m0坐标系和s0坐标系分别为主惯性导航系统体坐标系与子惯性导航系统体坐标系在对准初始时刻凝固得到的惯性坐标系;
步骤三:对公式二和公式三进行积分获得:
其中,I3为3维单位矩阵;
步骤五:将公式六分别代入公式四和五,变换获得:
h(x)为非线性函数且表达式如下:
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Citations (4)
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CN108981696A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-12-11 | 西北工业大学 | 一种sins任意失准角无奇异快速传递对准方法 |
US20220033100A1 (en) * | 2019-05-17 | 2022-02-03 | Southeast University | Dual-filter-based transfer alignment method under dynamic deformation |
CN115371706A (zh) * | 2022-09-05 | 2022-11-22 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种基于罗德里格斯参数的李群捷联惯导误差模型统一式 |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107990910A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-05-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于容积卡尔曼滤波的舰船大方位失准角传递对准方法 |
CN108981696A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-12-11 | 西北工业大学 | 一种sins任意失准角无奇异快速传递对准方法 |
US20220033100A1 (en) * | 2019-05-17 | 2022-02-03 | Southeast University | Dual-filter-based transfer alignment method under dynamic deformation |
CN115371706A (zh) * | 2022-09-05 | 2022-11-22 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种基于罗德里格斯参数的李群捷联惯导误差模型统一式 |
Non-Patent Citations (2)
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崔潇 等: "SINS 任意失准角无奇异快速传递对准", 《宇航学报》 * |
徐庚 等: "基于罗德里格斯参数的惯性系传递对准算法", 《系统工程与电子技术》 * |
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