[發明專利]基于李群濾波的捷聯慣性導航初始對準方法

有效

• 申請號: 201710036948.6
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106871928B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 裴?？?/a>;梁青琳;徐浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了基于李群濾波的捷聯慣性導航初始對準方法，采用李群和李代數描述捷聯解算，可以有效避免四元數解算過程中的奇異值問題和歸一化誤差，通過慣性元件的積分計算和地理位可以置信息，建立新的系統模型。直接采用李群濾波器對SO(3)群進行遞歸估計，可以有效避免四元數模型的非線性問題，實現快速精確的初始對準。實時地反映載體在晃動干擾下的姿態變化，使在晃動條件下仍然能夠快速、精確地實現初始對準，不依賴于系統的誤差模型，且無需在粗對準的基礎上進行精對準即可完成晃動基座下的初始對準，計算簡單，適應性強，能夠用于復雜的隨機系統，確保對準精度的同時提高了對準速度，在實際工程中具有良好的應用前景。

技術領域

本發明公開了一種基于李群濾波的捷聯慣性導航初始對準方法，該方法屬于導航方法及應用技術領域。

背景技術

所謂導航，就是正確地引導載體沿著預定的航線、以要求的精度、在指定的時間內將載體引導至目的地的過程。慣性導航系統根據自身傳感器的輸出，以牛頓第二定律為理論基礎，對載體的各項導航參數進行解算。它是一種自主式的導航系統，在工作時不依靠外界信息，也不向外界輻射任何能量，隱蔽性好、抗擾性強，能夠全天時、全天候為載體提供完備的運動信息。

早期的慣導系統以平臺慣導為主，隨著慣性器件的成熟和計算機技術的發展，上世紀60年代開始出現了慣性器件與載體直接固聯的捷聯慣導系統。與平臺慣導相比，捷聯慣導系統省去了復雜的實體穩定平臺，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高等優點。近年來，捷聯慣導系統日趨成熟，精度逐步提高，應用范圍也逐漸擴大。捷聯式慣性導航技術將陀螺儀和加速度計直接安裝在載體上，得到載體系下的加速度和角速度，通過導航計算機將測得的數據轉換至導航坐標系完成導航，它不需要實體的穩定平臺，成本低、體積小、重量輕、可靠性高。

捷聯式慣性導航系統進入導航任務前要先進行初始對準，目的是建立精確的初始姿態矩陣，從而得到載體相對空間的姿態。對準時間和對準精度是初始對準的兩個重要指標。對準時間反映系統的快速反應能力，對準精度反映系統的導航性能。作為慣導系統的一個關鍵技術，初始對準是國內外學者多年來的研究熱點。慣導系統的初始對準分為粗對準和精對準兩個階段。

比較傳統的初始對準方法，僅適用于靜止或微幅晃動的對準環境。對于工作在復雜環境中的載體，諸如發動機處于高頻振動的汽車、格斗狀態下的戰斗機、浪涌下的艦船等，載體的角振動和線振動會導致初始對準的精度和穩定性下降。捷聯慣導系統在自對準過程中的姿態時刻都在發生變化，初始對準的時間和精度會受到影響。因此，在運載體晃動干擾環境下完成初始對準過程，就必須屏蔽這些無法消除的擾動影響。對準領域的研究重點是動態情況下捷聯式慣性導航系統的初始對準，致力于研究出抗擾能力強、對準精度高、適應于各種復雜惡劣環境的對準方法。本發明將姿態矩陣的求解問題轉化為初始時刻慣性坐標系下的求解問題，可有效地解決晃動條件下初始對準的問題。

四元數的表示方法彌補了歐拉角的的不足，計算過程中不存在奇異點的問題，但是四元數存在約束條件，在采用四元數描述姿態運動時，在濾波過程中由于難以滿足其約束條件而出現問題。并且，采用四元數的描述方式在計算過程中表述復雜，而且難以避免的存在計算誤差，導致姿態解算存在偏差。

針對上述問題，本發明將姿態矩陣的求解問題轉化為初始時刻慣性坐標系下的求解問題，可有效地解決晃動條件下初始對準的問題。應用李群濾波器進行遞歸迭代，大大的簡化了計算過程?；赟O(3)群的概率分布函數推導，由于SO(3)群是緊的，李代數濾波器有效的避免了姿態解算中的奇異之問題，可以對姿態進行全局表示?；诶钊好枋龅臑V波運算，也大大減少了矩陣和向量轉化中的計算誤差，提升了計算速度和計算精度。減輕了晃動干擾對初始對準的影響，使在晃動條件下仍然能夠快速、精確地實現初始對準。該方法不依賴于系統的誤差模型，且無需在粗對準的基礎上進行精對準即可完成晃動基座下的初始對準。

發明內容