[發明專利]基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法

有效

• 申請號: 201610146655.9
• 申請日: 2016-03-15
• 公開（公告）號: CN105698822B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 王新龍;明軒
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/16
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

一種基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，它包括以下步驟：一、建立過渡參考坐標系；二、在載體運動過程中，根據傳感器子系統采樣數據計算粗略姿態矩陣；三、跟蹤微分器處理里程計速度微分；四、利用存儲的傳感器子系統采樣數據，反向姿態跟蹤計算初始對準開始時刻姿態矩陣；五、利用存儲的傳感器子系統采樣數據進行慣性導航解算，建立Kalman濾波器進行精對準，獲取精確的姿態矩陣和載體位置信息；本發明所述方法，充分利用了傳感器采樣數據，在僅知道載體初始位置的條件下，即可實現行進間的精確對準姿態陣獲取和位置導航，大大提高了載體機動能力，是行之有效的行進間初始對準方法。

一、技術領域

本發明提出基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，它涉及一種慣性導航行進間初始對準方法，屬于慣性導航初始對準技術領域。

二、背景技術

慣性導航行進間初始對準是指載體在運動過程中完成慣性導航系統初始對準的技術，因此，它是動基座初始對準技術的一種。慣性導航行進間初始對準技術對于增強載體的機動能力和快速反應能力具有不可估量的意義和作用。因此，如何在載體運動過程中實現初始對準是一個值得研究的課題。

與傳統的靜基座初始對準環境不同，在載體運動狀態下，載體的位置、速度、加速度以及角速度都在不斷地發生變化，其對初始對準的影響主要具體表現為：一方面，線運動會使慣性導航基本方程中的對地加速度、哥式加速度等參量時刻變化，因此在運動狀態下無法利用加速度計輸出數據測得重力加速度的精確信息；另一方面，運動條件下載體振動使得干擾角速度具有很寬的頻帶，陀螺儀輸出信號信噪比較低，無法從陀螺儀輸出數據中將地球自轉角速度這一對準的有用信息提取出來。

可見，在載體運動條件下，就不能單純依靠陀螺儀和加速度計的直接測量信息進行初始對準，而需要引入測距或測速信息，以補償運動過程中有害加速度對初始對準精度的影響。目前，慣性導航行進間對準方法目前主要有捷聯羅經法、慣性系對準方法以及最優估計對準方法等。捷聯羅經法應用了成熟的經典控制理論方法實現行進間初始對準，原理簡單但對準時間較長且對陀螺的低頻干擾較為敏感，需要根據運動環境選取合適的控制參數。慣性系對準方法以慣性空間為中間過渡坐標系，隔離載體角運動對初始對準的干擾，但該方法僅對測量誤差做簡單處理，因而對準精度不高且不能獲取載體的位置信息。最優估計對準方法建立起慣性導航誤差方程，利用里程計等測速傳感器的測速信息作為量測信息進行卡爾曼(Kalman)濾波，估計出平臺失準角等關鍵誤差從而實現行進間初始對準。該方法多是基于慣性導航線性化誤差模型的，需要先在靜止條件下獲取粗略的初始姿態矩陣才可進行，因此，在一定程度上削弱了載體的機動性優勢。

由此可見，各方法各有其特點和適用性。為了既能在運動過程中獲取粗略姿態矩陣，又能實現高精度姿態對準和位置導航，本發明單純以里程計速度采樣數據為對準輔助信息提出一種基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間對準方法。該方法在僅知道初始位置的條件下，即可實現高精度的慣性導航行進間初始對準。

三、發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提出基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法。首先在載體運動過程中，利用里程計的測速信息為輔助進行粗對準獲取粗略姿態矩陣，同時保存慣性測量元件(包括陀螺儀和加速度計)和里程計的采樣數據。然后進行反向姿態跟蹤求得初始對準開始時刻的姿態矩陣。最后在此基礎上，利用保存的慣性測量元件采樣數據和里程計速度采樣數據進行Kalman濾波精對準。最終實現高精度的姿態對準和位置導航。

本發明所提出的基于反向姿態跟蹤的自主式慣性導航行進間初始對準方法，用于車載慣性導航系統，該系統包括傳感器子系統、數據存儲模塊、粗對準計算模塊、反向姿態跟蹤計算模塊和精對準計算模塊。它們之間的關系是：傳感器子系統的采樣數據分別傳遞給數據存儲模塊和粗對準計算模塊；粗對準計算模塊計算出粗略初始姿態矩陣并將其傳遞給反向姿態跟蹤計算模塊；反向姿態跟蹤計算模塊利用數據存儲模塊的傳感器數據進行反向姿態跟蹤，并將其計算結果傳遞給精對準計算模塊。精對準計算模塊再利用數據存儲模塊的數據進行精對準計算獲取精確對準姿態矩陣和位置導航結果。