[發明專利]一種機載慣導系統姿態參數校準方法與裝置

有效

• 申請號: 201610288506.6
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105737858B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 江潔;于文波;閆勁云;張廣軍
• 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
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種機載慣導系統姿態參數校準裝置，其特征在于：該校準裝置包括高動態星敏感器、GPS同步授時系統、數據采集器、穩壓電源和固定支架，其中，固定支架用于固定安裝校準裝置高動態星敏感器、GPS同步授時系統、數據采集器和穩壓電源以及待校準的慣導系統，穩壓電源則為高動態星敏感器、GPS同步授時系統和數據采集器以及待校準的慣導系統供電，當需要校準時，將待校準的慣導系統安裝在固定支架上，高動態星敏感器將姿態數據及其對應時刻的脈沖信號輸出到數據采集器，GPS同步授時系統用于提供標準GPS時間，其中，待校準慣導系統數據直接進行授時，而高動態星敏感器則需要首先對脈沖信號進行授時，然后利用脈沖信號與高動態星敏感器姿態數據一一對應的性質，間接完成對高動態星敏感器輸出姿態數據的授時。

2.一種機載慣導系統姿態參數校準方法，利用權利要求1所述的機載慣導系統姿態參數校準裝置，其特征在于：該校準方法步驟如下：

步驟一、坐標系基準統一步驟；

將星敏感器與慣導系統的相對參考系統一，即建立慣性坐標系與地理坐標系的轉換關系；然后，利用慣導系統姿態數據與星敏感器姿態數據將二者間的常值誤差矩陣解算出來；

步驟二、數據采集與校準步驟；

步驟(1)、以恒星為測量對象，通過高動態星敏感器探測天球上的多顆恒星，并進行星點定位、星圖識別和姿態解算，提供星敏感器相對于慣性參考系的姿態；以步驟一得到的星敏感器坐標系與慣性導航系統坐標系的基準統一變換關系，得到慣性導航系統坐標系下的飛機姿態基準數據；

步驟(2)、以步驟(1)得到的基準數據為參考，與慣導系統的姿態數據進行比對，從而實現機載環境下對慣導系統姿態精度的動態在線校準。

3.根據權利要求2所述的一種機載慣導系統姿態參數校準方法，其特征在于：步驟一坐標系基準統一的關鍵在于常值誤差矩陣B_s^g的解算，通過選取N個采樣點，每個采樣點采集M對有效數據，則共有N×M個星敏感器與慣導系統的有效數據對，每對數據滿足式(3)，式中，表示第i個采樣點的第j組慣導系統相對于地理坐標系的姿態數據與星敏感器相對于地理坐標系的姿態數據組成的數據對，B_s^g為待求的常值誤差矩陣，

然后，采用QUEST算法求解B_s^g的最佳估計值，其步驟如下：

①首先，對式(3)進行改寫，其等價表達式如式(4)所示，式中，r₁、r₂、r₃和w₁、w₂、w₃分別表示的列向量，

進一步的，將式(4)寫成列向量分量形式如式(5)所示，式中(r_ijk,w_ijk)表示第i個采樣點的第j組對應姿態數據的第k個列向量分量對，

②經過上述改寫后，式(3)等價為式(5)，而式(5)為典型的Wahba問題，即求解B_s^g的最優估計值，等效為求解B_s^g的行列式為1的最優正交矩陣，使得損失函數：

最小，式中，a_ijk為非負系數，這里取a_ijk恒為1；

③最后，利用QUEST算法，求解B_s^g的最優估計值：

首先，由獲得的有效數據，分別計算有關中間變量，其公式如式(7)～(11)所示：

S＝B+B^T (9)

利用上述中間變量，將矩陣B_s^g的最優估計問題，轉化為與之等價的四元數的最優估計問題，其公式如(12)所示，式中λ_max為矩陣K的最大特征值，與B_s^g等價，為λ_max對應的特征向量，

對式(12)，在給定精度下利用牛頓-拉夫遜迭代法求解則由及式(7)～(10)可得，的最優估計計算過程如式(13)～(16)所示，其中，式(13)中的tr(A)、adj(A)和det(A)分別表示矩陣A的跡、伴隨矩陣和行列式，

κ＝tr(adj(S)),Δ＝det(S) (13)

X＝(αI+βS+S²)Z (15)

式(16)所示就是的最優估計，最后，通過四元數與旋轉矩陣的轉換關系，得到常值誤差矩陣的最優估計結果如式(17)所示，

4.根據權利要求2所述的一種機載慣導系統姿態參數校準方法，其特征在于：步驟二數據采集與校準，由于測量原理不同，現有星敏感器的姿態數據更新率一般低于慣導系統的更新率，且由于時間同步誤差，星敏感器與慣導系統的姿態測量時刻不能完全一致，故而無法直接應用星敏感器數據對慣導系統姿態參數進行校準，而是需要利用星敏感器所獲得的離散姿態真值數據點插值獲得姿態真值曲線，然后利用真值曲線對慣導系統姿態參數進行校準與評定。