[發明專利]一種組合導航系統的高精度定姿方法

有效

• 申請號: 201310197914.7
• 申請日: 2013-05-25
• 公開（公告）號: CN104180807B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 羅明剛
• 申請（專利權）人: 成都國星通信有限公司
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙)51218
• 代理人: 袁英

技術領域

本發明涉及一種組合導航系統的高精度定姿方法。

背景技術

從慣性導航（INS）的工作原理和誤差分析可以看出，慣導系統的自主性很強，它可以連續的提供包括基準在內的全部導航參數，并且具有非常好的短期精度和穩定性，在許多精確制導武器中得到了廣泛的應用。但是由于導航系統使用的慣性傳感器的精度不高，且誤差積累而無法單獨長期工作。

衛星導航（GNSS）雖然具有定位和測速精度高，定位誤差與時間無關，并能全天候導航的優點，但是單GNSS不能提供載體的姿態信息，且易受干擾。由于GNSS和INS的組合導航系統能去其短而取其長，完成較高精度、長時間的導航任務，在近幾年獲得了廣泛的應用。在組合導航系統中，載體的姿態角解算是一步核心工作。

現有姿態測量的方法有很多，如采用加速度計測出的重力分量解算姿態角信息，該測量方法雖然成本低，但其動態性能卻比較差；如專利申請號：201210487249.0所述的一種基于GPS載波雙差方程的姿態角直接求解方法，通過建立載波雙差方程，將載體姿態信息引入到載波雙差方程中進行解算，該方法能減小誤差，但可靠性及穩定性差。

其他的還有通過方向余弦矩陣解算姿態信息，但由于計算過程中的舍入誤差，由基于四元數的姿態傳遞方程解算后的方向余弦矩陣其正交性不能滿足，容易對后續姿態解算造成較大的誤差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供高可靠度、高穩定性、計算量小的一種組合導航系統的高精度定姿方法，它在最優的條件下對方向余弦矩陣進行正交歸一化，大大降低了姿態解算的誤差，提高了定姿精度。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種組合導航系統的高精度定姿方法，它包括以下步驟：

S1：根據陀螺儀角速度信號和當前狀態信息解算當前時刻方向余弦矩陣；

S2：根據方向余弦矩陣求解姿態角。

所述的當前時刻方向余弦矩陣解算包括以下子步驟：

S11：計算載體系相對于慣性系的角速度在導航系中的投影；

S12：計算地球系相對于慣性系的角速度在導航系中的投影；

S13：計算導航系相對于地球的角速度；

S14：計算載體相對于導航系的角速度并用四元數表示；

S15：根據四元數姿態傳遞方程求解當前時刻方向余弦矩陣C。

所述的根據方向余弦矩陣求解姿態角包括如下子步驟：

S21：根據方向余弦矩陣元素C（3，2）和C（3，3）的反正切求解橫滾角；

S22：根據方向余弦矩陣元素C（3，1）的反正弦求解俯仰角；

S23：根據方向余弦矩陣元素C（2，1）和C（1，1）的反正切求解方位角。

在根據方向余弦矩陣求解姿態角之前它還包括如下步驟：在最優條件下，對當前時刻方向余弦矩陣采用施密特正交化方法進行正交歸一化處理；

所述的采用施密特正交化方法進行正交歸一化處理包括如下子步驟：

S31：分別計算當前列向量對前面的列向量的投影；

S32：當前列向量減去投影向量得到新向量；

S33：計算新向量的二范數；

S34：新向量各元素除以其二范數得到歸一化后的新向量；

S35：得到新的方向余弦矩陣；

S36：判斷新的方向余弦矩陣的所有列是否均已進行正交歸一化處理；

S37：若是，跳轉到步驟S2；若否，則跳轉到步驟S31，依次循環。

進一步的，所述的最優條件指基于誤差的二范數的代價函數最小。

本發明的有益效果是：通過四元數法求解方向余弦矩陣，計算量??；在根據當前時刻方向余弦矩陣解算姿態信息之前先對當前時刻方向余弦矩陣采用施密特正交法進行歸一化處理，大大降低了姿態信息解算的誤差，提高了定姿精度；在最優條件下（即基于誤差的二范數的代價函數最小）對當前時刻方向余弦矩陣采用施密特正交方法進行歸一化處理，能得到穩定、高效的解析解。

附圖說明

圖1為本發明的計算方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，一種組合導航系統的高精度定姿方法，它包括以下步驟：

S1：根據陀螺儀角速度信號和當前狀態信息解算當前時刻方向余弦矩陣；

S2：根據方向余弦矩陣求解姿態角。

所述的當前時刻方向余弦矩陣解算包括以下子步驟：