[發明專利]一種基于慣性/天文互助的慣性導航系統初始化方法

在審

• 申請號: 201510870923.7
• 申請日: 2015-12-02
• 公開（公告）號: CN105371844A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 郁豐;朱海微;熊智;施麗娟;華冰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C25/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明公布了一種基于慣性/天文互助的慣性導航系統初始化方法，屬于導航技術領域。

背景技術

慣性導航系統的導航精度受到導航初始誤差和器件誤差的綜合影響，因此在慣性導航系統正式工作之前必須對系統進行調整，以保證導航計算機在正式工作時有精確的初始條件，如初始速度、初始位置和初始姿態等，這些工作稱為慣導系統的初始化過程。

一般意義上的慣導自對準依靠陀螺和加速度計輸出進行姿態初始對準，但其需要GNSS（全球衛星導航系統）等外部方式提供載體的初始地理位置。但是在惡劣環境下，利用GNSS進行定位可靠性不高，無法保證安全性。而以天體測量技術為基礎的天文導航方式，利用星敏感器對恒星進行觀測，具有直接、自然、精確等優點，自主性強，抗干擾能力強，可靠性高，目前廣泛應用于航海、航空及航天領域。所以慣性/天文組合導航系統是一種高可靠高自主的導航系統。

在缺少GNSS提供的初始位置的情況下，采用慣性/天文互助的方式，利用IMU（慣性測量單元）輸出信息進行水平姿態自對準，結合星敏感器的定位完成慣性導航系統的完全初始化過程：首先采用傳統的慣導粗自對準方法進行初始水平姿態的確定，同時為天文導航提供高精度的水平基準；在此基礎上利用天文導航系統的高度差定位原理完成位置信息初始化；得到初始位置后，結合陀螺和加速度計輸出完成慣導系統的姿態粗對準及精對準過程；并根據精對準過程中估計得到的加速度計器件誤差，對加速度計輸出進行修正以提高加速度計精度，再次進行水平對準過程，進行多次迭代，提高最終的慣導系統初始化精度。

發明內容

本發明提出了一種基于慣性/天文互助的慣性導航系統初始化方法，可以減少慣性導航系統初始化過程中對GNSS等外部輔助的依賴性，實現載體初始地理位置未知情況下的慣性導航系統初始化，為捷聯慣導的解算過程提供高精度的初始信息。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種基于慣性/天文互助的慣性導航系統初始化方法，包括以下步驟：

步驟一、利用慣導系統的加速度計輸出進行水平自對準，得到水平基準，利用該水平基準，根據天文導航的高度差定位原理進行天文定位，得到載體的初始位置信息；

步驟二、結合步驟一得到的初始位置信息，完成慣導系統的姿態自對準，包括粗對準和精對準兩個步驟，得到初始姿態及陀螺、加速度計的器件誤差估計值；

步驟三、根據步驟二估計得到的加速度計誤差估計值，對慣導加速度計輸出作修正，并以得到的修正結果作為加速度計的輸出信息，然后重復步驟一，以此方法進行迭代，具體迭代次數依據本次定位結果和上次定位結果的差小于一個閾值來確定。

所述步驟一中，得到載體的初始位置信息的具體步驟如下：

步驟A、在慣導系統開始工作后，獲取加速度計輸出信息，然后根據慣導水平粗對準原理得到載體的初始水平姿態角；

步驟B、在步驟A所得到的水平基準的基礎上，根據天文導航的高度差定位原理，建立天文導航定位模型，利用星敏感器觀測恒星，根據其輸出的高度角信息，得到載體初始地理位置。

所述步驟二中，得到初始姿態及陀螺、加速度計的器件誤差估計值的具體步驟如下：

步驟a、由天文定位得到的初始地理位置，結合慣導系統陀螺和加速度計的輸出，按照慣導系統的粗對準原理進行初始姿態的粗對準，得到姿態角信息，作為精對準的初值；

步驟b、建立慣導系統精對準模型，采用多位置對準方法，將速度信息作為觀測量，利用卡爾曼濾波方法對慣導的平臺誤差角及陀螺、加速度計的器件誤差進行估計，再根據估計出的平臺誤差角得到載體的初始姿態矩陣。

本發明的有益效果如下：

慣性/天文組合導航系統是一種不易受干擾的自主導航系統，本發明提出的方法可以讓慣性/天文組合導航系統在初始位置未知的情況下完成慣性導航系統全自主地初始化，提高導航系統的安全性及可靠性，為慣導系統提供高精度的初始信息。

附圖說明

圖1為慣性/天文互助的慣性導航系統初始化方法示意圖。

圖2(a)為橫滾角誤差估計曲線圖；圖2(b)為俯仰角誤差估計曲線圖；圖2(c)為航向角誤差估計曲線圖。

圖3(a)為X軸加速度計誤差估計曲線圖；圖3(b)為Y軸加速度計誤差估計曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。