[發明專利]一種分布式慣性導航系統及其姿態傳遞對準方法

有效

• 申請號: 201310159383.2
• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN103256928A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 楊鏡;華冰;熊智;劉海穎;吳風喜;康國華;郁豐
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G01C21/16;G01C25/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及一種分布式慣性導航系統及其姿態傳遞對準方法，屬于慣性導航定位技術領域。

背景技術

傳遞對準是指載體在航行時，載體上需要對準的子慣導系統利用高精度的主慣導系統信息進行初始對準的方法。

傳遞對準是新一代快速反應、機動發射武器系統的關鍵技術，它的成功應用可以極大的提高武器系統的反應速度和防區外攻擊能力，載體需要獲得連續可靠的慣性信息，在載體結構變形較嚴重的環境下，對載體變形估計可以提高如武器系統、瞄準系統等機載子系統的對準精度，進而提高子系統的整體性能。

近年來，飛行器上高速數據通訊網絡使機載電子設備分布集成結構引入到現代飛行器系統，再加上現代作戰飛行器對慣性信息更強的依賴和更高可靠性需求促成了慣性網絡系統的研究和發展。為確保作戰飛行器安全飛行和順利完成指定任務需要飛行器多個位置如飛行器重心、飛行器前身和武器艙等的可靠慣性信息。慣性網絡是一種慣性技術的新型應用，極具發展和應用前景。該網絡基于捷聯慣性技術、微型慣性器件技術等技術，將滿足飛行器等高可靠性、高精度和低成本方面的需求，同時也為傳遞對準提供了新的技術途徑。

目前，國內對慣性網絡相關算法還少有研究，只在研究傳遞對準和撓曲變形的部分文獻中有提及。郭隆華和王新龍的《機載武器傳遞對準精確建模方法研究》對影響機載武器傳遞對準性能的各種因素進行了精確建模及全面分析，提出了機翼彈性變形的三階隨機過程模型，同時，研究了一種“速度積分+角速率”匹配的傳遞對準方法，但該方法需要飛行器有特定的飛行軌跡，有失廣泛應用性；文獻Yafeng?Wang,Fuchun?Sun,Youan?Zhang,et?al.Central?Difference?Particle?Filter?Applied?to?Transfer?Alignment?for?SINS?on?Missiles[J].Aerospace?and?Electronic?Systems,IEEE?Transactions?on,2012,48(1):375-387針對對準模型的非線性和陀螺漂移的非高斯分布，提出中心差分粒子濾波算法，提高對準的速度和精度，但算法較復雜，加大了計算量；孫昌躍、王司、鄧正隆的《艦載武器慣導系統對準綜述》在傳遞對準發展趨勢中明確提出構建慣性網絡，即用主慣導系統和各子慣導系統準確及時的慣導信息，解決結構撓曲變形和振動的不利影響，但其僅指出運用慣性網絡進行傳遞對準的方向，并未具體提出對準算法方案。

此外，TRIAD算法解算變形角實時性很好，但是解算出的變形角受噪聲影響很大；而慣性測量匹配算法解算變形角受噪聲影響小，但是需要給定變形角的初值，且隨著時間的累積變形角誤差發散。

發明內容

本發明要解決的是現有的導航系統結構或者運用的算法復雜，其運用的算法有的由于受噪聲影響而導致誤差較大，有的隨著時間的累積變形角誤差發散，也會導致計算誤差較大。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種分布式慣性導航系統，包括一個主節點和n個子節點構成的網絡拓撲結構，前述n≥2的自然數；所述主節點包括慣導單元和天文單元，子節點包括慣導單元；前述慣導單元即IMU，其內設置三軸加速度計和陀螺組件，所述天文單元包括星敏感器；各節點之間通過IMU輸出端口連接外設的處理器，并以此進行信息共享，星敏感器的輸出端也連接外設的處理器。

將主節點和n個子節點分布式的配置在載體的不同空間位置，共同構成完全的分布式慣性網絡結構；該網絡結構具有高容錯性和強魯棒性，且成本較低，能提高慣導系統的性能，各節點可以與其它節點進行通信，各個節點的信息在網絡結構中共享；其中，主節點的信息融合算法提供導航狀態信息和慣性狀態向量，子節點的信息融合算法提供局部狀態向量信息；由于載體的整體結構，各節點的測量和估計信息并不是完全獨立的，根據各節點之間的關系，可以充分利用傳感器網絡的測量信息，進行不同慣性系統的對準、動態標定、檢測或隔離系統故障等，將大大提高慣導系統的性能；此外，天文單元導航誤差不隨時間增長，星敏感器測量精度在導航全程保持穩定，現有最高精度可以達到角秒級，但天文單元統在應用時受到可觀測星光條件的約束，在較低空領域無法準確獲得星光信息，無法實現對無人機的全程高精度導航，因而將其作為一種重要的導航輔助手段，與慣導單元一起共同完成主節點的導航任務。三軸加速度計安裝在同一個節點的三軸上，用于測量IMU上三個不同點處的加速度。

為降低系統生產成本，主節點的慣導單元采用高性能IMU，子節點的慣導單元采用低性能IMU。