CN116358606B - 惯导系统的初始粗对准方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯导系统的初始粗对准方法、装置、设备及介质。该方法包括：根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。通过采用上述技术方案，能够克服极区重力矢量和地球自转矢量共线导致的粗对准误差过大的问题，提高惯导系统的初始粗对准精度。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种惯导系统的初始粗对准方法、装置、设备及介质。
背景技术
惯性导航的本质是一个积分舰位推算过程，而初始对准的目的就是确定积分初值的过程，积分初值包含姿态初值、速度初值和位置初值。速度和位置初值通常由外界输入，所以初始对准的主要任务在于确定载体的姿态，即初始姿态矩阵。初始对准速度决定了系统的启动时间，初始对准精度直接影响导航精度，因此初始对准技术是惯导系统的关键技术之一。初始对准通常可分为粗对准和精对准两个阶段，在粗对准阶段，估计出姿态的粗略值，能够简化精对准误差模型，缩短精对准时间。
在地球极区，由于重力矢量和地球自转矢量共线，会导致惯性导航系统目前使用的解析式粗对准方法或惯性凝固坐标系下的双矢量定姿法，都无法完成极区环境下的自对准。
发明内容
本发明提供了一种惯导系统的初始粗对准方法、装置、设备及介质，能够克服极区重力矢量和地球自转矢量共线导致的粗对准误差过大的问题，提高惯导系统的初始粗对准精度。
根据本发明的一方面，提供了一种惯导系统的初始粗对准方法，包括：
根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；
根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；
对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；
根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
根据本发明的另一方面，提供了一种惯导系统的初始粗对准装置，包括：
坐标系生成模块，用于根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；
姿态矩阵初值获取模块，用于根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；
方向余弦矩阵计算模块，用于对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；
姿态方向余弦矩阵计算模块，用于根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例所述的惯导系统的初始粗对准方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的惯导系统的初始粗对准方法。
本发明实施例的技术方案，通过利用惯导系统载体中配置的测量仪所测量的数据，经多公式计算获得极区横向平面坐标系下惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准的方式，克服了极区重力矢量和地球自转矢量共线导致的粗对准误差过大的问题，能够有效提高惯导系统的初始粗对准精度。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例一提供的一种惯导系统的初始粗对准方法的流程图；
图2是根据本发明实施例二提供的另一种惯导系统的初始粗对准方法的流程图；
图3是根据本发明实施例三提供的一种惯导系统的初始粗对准装置的结构示意图；
图4是实现本发明实施例的惯导系统的初始粗对准方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种惯导系统的初始粗对准方法的流程图，本实施例可适用于利用惯导系统载体中配置的测量仪所测量的数据，经多公式计算获得惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准的情况，该方法可以由惯导系统的初始粗对准装置来执行，该惯导系统的初始粗对准装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该惯导系统的初始粗对准装置可配置于具备数据处理功能的计算机中。如图1所示，该方法包括：
S110、根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系。
本发明提出的惯导系统的初始粗对准方法可适用于多种类型的移动载体中，如飞行器、船舶等。
为了便于解释本发明的实施例，可用nf表示极区横向平面坐标系，ni表示过渡导航坐标系，i表示惯性坐标系，b表示载体坐标系，ib0表示惯性凝固坐标系。
在对各坐标系进行定义之前，首先，令东经90°子午线与赤道的交点为横北极点，0°经线和180°经线所构成的经线圈定义为横向赤道，在此基础上定义横向地球坐标系和横向地理坐标系。
优选的，极区横向平面坐标系nf的生成方法可以包括：
以O作为坐标原点，令O点的横向地理坐标系为极区横向平面坐标系，过原点与横经线圈相切并指向横北极点附近的射线为Ynf轴，Znf轴垂直于地理水平面指向天顶，Xnf轴与Ynf、Znf轴垂直并构成右手坐标系。
优选的，过渡导航坐标系ni的生成方法可以包括：
在惯导系统的初始粗对准的初始时刻，令平行于惯导系统载体横摇轴在水平面的投影为Xni轴，Xni轴指向惯导系统载体的右侧（例如，当惯导系统载体为船舶时，Xni轴指向船舶的右舷），Zni轴垂直于地理水平面，指向天顶，Yni轴与Xni、Zni轴垂直并构成右手坐标系。
优选的，惯性坐标系i可以为将惯导系统的初始粗对准的初始时刻的过渡导航坐标系ni相对惯性空间凝固所得的惯性坐标系。
优选的，载体坐标系b的生成方法可以包括：
令惯导系统载体的前进方向为Yb轴，Xb轴指向惯导系统载体右侧，Zb轴与Yb、Xb轴垂直指向天顶，构成右手坐标系。
优选的，惯性凝固坐标系ib0可以为在惯导系统的初始粗对准的初始时刻将载体坐标系b相对惯性空间凝固所得的坐标系。
这样设置的好处在于：通过重新定义横向地球坐标系和横向地理坐标系，能够解决经线在极点汇聚成一点，从而引起定向困难的问题。
S120、根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
优选的，根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准，可以具体包括：
根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
利用过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
在本发明的实施例中，陀螺和加速度计可以为惯导系统载体上配置的具备数据测量功能的仪器，陀螺的测量数据可以包括各个时间段内的角增量，加速度计的测量数据可以包括各个时间段内的比力增量。
S130、对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵。
优选的，对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，可以具体包括：
获取地球自转角速度在惯性坐标系的投影、载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影、惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，并计算得到载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影；
根据载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影的计算值，计算得到惯导系统载体的迭代姿态矩阵；
根据惯导系统载体的迭代姿态矩阵、地球自转角速度在惯性坐标系的投影、惯导系统载体的重力加速度、惯导系统载体在载体坐标系中的加速度以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的迭代速度；
根据惯导系统载体的迭代速度，计算得到惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标。
可选的，可以通过惯导系统载体中配置的陀螺获取载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影。
优选的，计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，可以具体包括：
获取惯导系统载体位置迭代更新的起始点与惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点的经纬度坐标，以及惯导系统载体沿地球子午圈与卯酉圈的曲率半径，计算得到惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标；
根据惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标与惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标，计算得到过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角；
根据过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角与如下公式：
计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；其中，α为过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角。
S140、根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
可以理解的是，由于惯导系统载体的速度和位置可通过惯导系统载体中配置的测量仪器测量获取，因此，完成惯导系统的初始粗对准，即为获取极区横向平面坐标系下惯导系统载体的姿态，本发明通过计算极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以获取惯导系统载体的姿态。
本发明实施例的技术方案，通过利用惯导系统载体中配置的测量仪所测量的数据，经多公式计算获得极区横向平面坐标系下惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准的方式，克服了极区重力矢量和地球自转矢量共线导致的粗对准误差过大的问题，能够有效提高惯导系统的初始粗对准精度。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的另一种惯导系统的初始粗对准方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上，具体说明了惯导系统的初始粗对准方法。如图2所示，该方法包括：
S210、根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系。
S220、根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵。
优选的，根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，可以具体包括：
根据公式：
计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，/>为地球自转角速度，t为惯导系统的初始粗对准已运行时长；
获取陀螺输出的角增量，计算载体坐标系相对于惯性凝固坐标系的变换四元数，并对四元数进行解算；
根据四元数的计算结果与如下公式：
计算载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，q0、q1、q2、q3为四元数的解算结果值；
获取加速度计输出的比力增量，计算惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量；
根据惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量与如下公式：
计算惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
其中，表示惯性凝固坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、/>表示惯性凝固坐标系下从tv到td时刻的速度增量、/>表示惯性坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、表示惯性坐标系下从tv到td时刻的速度增量，t0为过渡导航坐标系下的初始粗对准开始时刻，td为过渡导航坐标系下的初始粗对准结束时刻，tv以及tu为根据预设选取规则在t0与td之间选取的时间点，且/>。
其中，获取陀螺输出的角增量，计算载体坐标系相对于惯性凝固坐标系的变换四元数，并对四元数进行解算，可以具体包括：
获取tk到tk+1时刻陀螺输出的角增量，根据载体坐标系相对于惯性凝固坐标系从tk到tk+1时刻的变换四元数，即：
对四元数进行解算，四元数更新解算公式可用如下公式表示：
其中，，即在惯导系统的初始粗对准t0时刻载体坐标系相对于惯性凝固坐标系的四元数为1，/>表示载体坐标系相对于惯性凝固坐标系在tk时刻的四元数，表示载体坐标系相对于惯性凝固坐标系在tk+1时刻的四元数。可以理解的是，上述四元数解算公式可理解为四元数根据时间变换的迭代解算公式，由于初始粗对准时刻四元数已知，因此任一时刻的四元数都可进行解算，上述四元数解算公式中的时刻仅用于表述公式的具体计算方法。
进一步的，惯性凝固坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、惯性凝固坐标系下从tv到td时刻的速度增量/>可通过如下公式计算得到：
其中，表示陀螺输出的角增量，/>表示加速度计输出的比力增量，tr≤tk且。可以理解的是，上述惯性凝固坐标系下速度增量的计算公式可支持计算任一时间段内的速度增量，式中的r和k表示tr和tk时刻，仅用于解释公式的计算方法，不具有实际使用中的时间意义。
进一步的，惯性坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、惯性坐标系下从tv到td时刻的速度增量/>可通过如下公式计算得到：
其中，gi表示重力矢量，且，式中的r和k表示tr和tk时刻，仅用于解释公式的计算方法，不具有实际使用中的时间意义，且
其中，Ω为地球自转角速度，λ为惯导系统载体当前经度，φ为惯导系统载体当前纬度，惯导系统载体的经纬度均可由惯导系统载体中配置的传感器获得。
可选的，在计算得到惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵之后，可根据如下公式：
解算出惯导系统载体当前的横摇角R和纵摇角P。
S230、利用过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
优选的，可根据如下公式计算惯导系统载体的姿态矩阵初值:
S240、获取地球自转角速度在惯性坐标系的投影、载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影、惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，并计算得到载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影。
优选的，可以根据如下公式计算得到载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影：
其中，为载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影，为地球自转角速度在惯性坐标系的投影，/>为惯导系统载体的姿态矩阵初值/>的转置。
S250、根据载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影的计算值，计算得到惯导系统载体的迭代姿态矩阵。
优选的，可以根据如下公式得到惯导系统载体的迭代姿态矩阵：
S260、根据惯导系统载体的迭代姿态矩阵、地球自转角速度在惯性坐标系的投影、惯导系统载体的重力加速度、惯导系统载体在载体坐标系中的加速度以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的迭代速度。
优选的，可以根据如下公式得到惯导系统载体的迭代速度：
其中，fb为惯导系统载体在载体坐标系下的加速度。
S270、根据惯导系统载体的迭代速度，计算得到惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标。
优选的，在获取惯导系统载体的迭代速度之后，可以根据迭代速度以及位置微分方程，进一步计算得到惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标，位置微分方程与迭代速度的数学关系如下式：
S280、获取惯导系统载体位置迭代更新的起始点与惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点的经纬度坐标，以及惯导系统载体沿地球子午圈与卯酉圈的曲率半径，计算得到惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标。
优选的，将惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标可以用(x1，y1)表示，惯导系统载体位置迭代更新的起始点的经纬度坐标可以用(λ0，φ0)表示，惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点的经纬度坐标可以用(λ,φ)表示，惯导系统载体沿地球子午圈半径可用RM表示，惯导系统载体沿地球卯酉圈的曲率半径可以用RN表示，则惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标如下：
其中，，/>。
S290、根据惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标与惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标，计算得到过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角。
优选的，根据惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标可得到惯导系统载体行驶一段时间后在过渡导航坐标系内的坐标，可表示为B(x,y)，根据公式：
可得到过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角α，由于α为常值，在实际初始粗对准过程中可多采集几个样本点，用最小二乘的方法提高计算精度。
S2100、计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵。
优选的，过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵可用如下公式计算：
S2110、根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
其中，根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准，可以具体包括：
根据导系统载体的姿态矩阵初值、过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵/>以及如下公式：
计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
本发明实施例的技术方案，通过多次采集惯导系统载体的坐标样本，并利用最小二乘的方法计算，能够有效提高计算精度，实现在极区对惯导系统进行初始粗对准，提高惯导系统的初始粗对准精度。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的一种惯导系统的初始粗对准装置的结构示意图。如图3所示，该装置包括：坐标系生成模块310、姿态矩阵初值获取模块320、方向余弦矩阵计算模块330以及姿态方向余弦矩阵计算模块340。
坐标系生成模块310，用于根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系。
姿态矩阵初值获取模块320，用于根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
方向余弦矩阵计算模块330，用于对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵。
姿态方向余弦矩阵计算模块340，用于根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
本发明实施例的技术方案，通过利用惯导系统载体中配置的测量仪所测量的数据，经多公式计算获得极区横向平面坐标系下惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准的方式，克服了极区重力矢量和地球自转矢量共线导致的粗对准误差过大的问题，能够有效提高惯导系统的初始粗对准精度。
在上述各实施例的基础上，姿态矩阵初值获取模块320，可以包括：
方向余弦矩阵获取单元，用于根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
姿态矩阵初值计算单元，用于利用过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
在上述各实施例的基础上，方向余弦矩阵获取单元，可以具体用于：
根据公式：
计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，/>为地球自转角速度，t为惯导系统的初始粗对准已运行时长；
获取tk到tk+1时刻陀螺输出的角增量，计算载体坐标系相对于惯性凝固坐标系从tk到tk+1时刻的变换四元数，并对四元数进行解算；
根据四元数的计算结果与如下公式：
计算载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，q0、q1、q2、q3为四元数的解算结果值；
获取加速度计输出的比力增量，计算惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量；
根据惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量与如下公式：
计算惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
其中，表示惯性凝固坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、/>表示惯性凝固坐标系下从tv到td时刻的速度增量、/>表示惯性坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、表示惯性坐标系下从tv到td时刻的速度增量，t0为过渡导航坐标系下的初始粗对准开始时刻，为过渡导航坐标系下的初始粗对准结束时刻，tv以及tu为根据预设选取规则在t0与td之间选取的时间点，且/>。
在上述各实施例的基础上，姿态矩阵初值计算单元，可以具体用于：
获取过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵/>以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵/>的计算值；
根据公式：
计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值。
在上述各实施例的基础上，方向余弦矩阵计算模块330，可以具体用于：
获取地球自转角速度在惯性坐标系的投影、载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影、惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，并计算得到载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影；
根据载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影的计算值，计算得到惯导系统载体的迭代姿态矩阵；
根据惯导系统载体的迭代姿态矩阵、地球自转角速度在惯性坐标系的投影、惯导系统载体的重力加速度、惯导系统载体在载体坐标系中的加速度以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的迭代速度；
根据惯导系统载体的迭代速度，计算得到惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标。
在上述各实施例的基础上，方向余弦矩阵计算模块330，还可以具体用于：
获取惯导系统载体位置迭代更新的起始点与惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点的经纬度坐标，以及惯导系统载体沿地球子午圈与卯酉圈的曲率半径，计算得到惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标；
根据惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标与惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标，计算得到过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角；
根据过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角与如下公式：
计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；其中，α为过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角。
在上述各实施例的基础上，姿态方向余弦矩阵计算模块340，可以具体用于：
根据导系统载体的姿态矩阵初值、过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵/>以及如下公式：
计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
本发明实施例所提供的惯导系统的初始粗对准装置可执行本发明任意实施例所提供的惯导系统的初始粗对准方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例四
图4示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备40的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
如图4所示，电子设备40包括至少一个处理器41，以及与至少一个处理器41通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）42、随机访问存储器（RAM）43等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器41可以根据存储在只读存储器（ROM）42中的计算机程序或者从存储单元48加载到随机访问存储器（RAM）43中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 43中，还可存储电子设备40操作所需的各种程序和数据。处理器41、ROM 42以及RAM 43通过总线44彼此相连。输入/输出（I/O）接口45也连接至总线44。
电子设备40中的多个部件连接至I/O接口45，包括：输入单元46，例如键盘、鼠标等；输出单元47，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元48，例如磁盘、光盘等；以及通信单元49，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元49允许电子设备40通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理器41可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器41的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器41执行上文所描述的各个方法和处理，例如如本发明实施例所述的惯导系统的初始粗对准方法。也即：
根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；
根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；
对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；
根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
在一些实施例中，惯导系统的初始粗对准方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元48。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 42和/或通信单元49而被载入和/或安装到电子设备40上。当计算机程序加载到RAM 43并由处理器41执行时，可以执行上文描述的惯导系统的初始粗对准方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器41可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行惯导系统的初始粗对准方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种惯导系统的初始粗对准方法，其特征在于，包括：
根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；
根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；
对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；
根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准；
其中，极区横向平面坐标系以O作为坐标原点，令O点的横向地理坐标系为极区横向平面坐标系，过原点与横经线圈相切并指向横北极点附近的射线为极区横向平面坐标系的Y轴，极区横向平面坐标系的Z轴垂直于地理水平面指向天顶，极区横向平面坐标系的X轴与Y、Z轴垂直并构成右手坐标系；
其中，惯性坐标系为将惯导系统的初始粗对准的初始时刻的过渡导航坐标系相对惯性空间凝固所得的惯性坐标系；
其中，惯性凝固坐标系为在惯导系统的初始粗对准的初始时刻将载体坐标系相对惯性空间凝固所得的坐标系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算获取惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准，包括：
根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
利用过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据陀螺和加速度计的测量数据，分别计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，包括：
根据公式：
；
计算过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，/>为地球自转角速度，t为惯导系统的初始粗对准已运行时长；
获取陀螺输出的角增量，计算载体坐标系相对于惯性凝固坐标系的变换四元数，并对四元数进行解算；
根据四元数的计算结果与如下公式：
；
计算载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵；其中，q0、q1、q2、q3为四元数的解算结果值；
获取加速度计输出的比力增量，计算惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量；
根据惯性凝固坐标系下与惯性坐标系下的多个速度增量与如下公式：
；
计算惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵；
其中，表示惯性凝固坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、/>表示惯性凝固坐标系下从tv到td时刻的速度增量、/>表示惯性坐标系下从t0到tu时刻的速度增量、表示惯性坐标系下从tv到td时刻的速度增量，t0为过渡导航坐标系下的初始粗对准开始时刻，td为过渡导航坐标系下的初始粗对准结束时刻，tv以及tu为根据预设选取规则在t0与td之间选取的时间点，且/>。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，包括：
获取过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵、载体坐标系与惯性凝固坐标系之间的方向余弦矩阵/>以及惯性凝固坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵/>的计算值；
根据公式：
；
计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，包括：
获取地球自转角速度在惯性坐标系的投影、载体坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影、惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，并计算得到载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影；
根据载体坐标系相对于过渡导航坐标系的旋转角速度在载体坐标系的投影的计算值，计算得到惯导系统载体的迭代姿态矩阵；
根据惯导系统载体的迭代姿态矩阵、地球自转角速度在惯性坐标系的投影、惯导系统载体的重力加速度、惯导系统载体在载体坐标系中的加速度以及过渡导航坐标系与惯性坐标系之间的方向余弦矩阵，计算得到惯导系统载体的迭代速度；
根据惯导系统载体的迭代速度，计算得到惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，包括：
获取惯导系统载体位置迭代更新的起始点与惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点的经纬度坐标，以及惯导系统载体沿地球子午圈与卯酉圈的曲率半径，计算得到惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标；
根据惯导系统载体行驶一段时间之后的位置点在极区横向平面坐标系中的坐标与惯导系统载体在过渡导航坐标系内的迭代位置坐标，计算得到过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角；
根据过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角与如下公式：
；
计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；其中，α为过渡导航坐标系相对于极区横向平面坐标系的方位角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准，包括：
根据导系统载体的姿态矩阵初值、过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵/>以及如下公式：
；
计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准。
8.一种惯导系统的初始粗对准装置，其特征在于，包括：
坐标系生成模块，用于根据惯导系统载体信息、极区信息与地球经纬线信息，生成极区横向平面坐标系、过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系以及惯性凝固坐标系；
姿态矩阵初值获取模块，用于根据陀螺和加速度计的测量数据，以及过渡导航坐标系、惯性坐标系、载体坐标系和惯性凝固坐标系之间的映射关系，计算得到惯导系统载体的姿态矩阵初值，以完成过渡导航坐标系下的初始粗对准；
方向余弦矩阵计算模块，用于对惯导系统载体的姿态矩阵、速度以及位置进行迭代更新解算，并计算得到过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵；
姿态方向余弦矩阵计算模块，用于根据惯导系统载体的姿态矩阵初值以及过渡导航坐标系与极区横向平面坐标系的方向余弦矩阵，计算得到极区横向平面坐标系下的惯导系统载体的姿态方向余弦矩阵，以完成惯导系统的初始粗对准；
其中，极区横向平面坐标系以O作为坐标原点，令O点的横向地理坐标系为极区横向平面坐标系，过原点与横经线圈相切并指向横北极点附近的射线为极区横向平面坐标系的Y轴，极区横向平面坐标系的Z轴垂直于地理水平面指向天顶，极区横向平面坐标系的X轴与Y、Z轴垂直并构成右手坐标系；
其中，惯性坐标系为将惯导系统的初始粗对准的初始时刻的过渡导航坐标系相对惯性空间凝固所得的惯性坐标系；
其中，惯性凝固坐标系为在惯导系统的初始粗对准的初始时刻将载体坐标系相对惯性空间凝固所得的坐标系。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的惯导系统的初始粗对准方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的惯导系统的初始粗对准方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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