[發明專利]基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法

有效

• 申請號: 202010810327.0
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN112539745B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 張亞;高偉;劉超;姜奇;王國臣;于飛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

本發明設計了一種基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法，該方法首先針對極區慣導工作方式進行研究，采用逆坐標系方法，為航行器在高緯度地區提供角速度和加速度信息，而在低緯度區域下依然采用傳統指北坐標系工作模式，并借助外界傳感器輔助減小載體運行過程中，兩個工作模式相互轉化會導致原理性誤差。本發明專利可用于艦船極區導航，解決了捷聯慣性導航系統在極區附近不能工作的問題。

技術領域

本發明涉及捷聯慣導技術領域，特別是涉及一種基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法。

背景技術

2017年5月8日，進一步提高我國海洋科技的創新水平并完善海洋科技的創新體系，國土資源部、國家海洋局和科技部三部門聯合開展了一系列海洋領域科技創新專項規劃，并指出為了應對極區環境的變化，必須深入對極區進行全方位的開展研究，開展極地相關設備的開發和關鍵技術的公關，可以為極地研究提供有力的支撐。隨著全球氣候的不斷轉暖，北極冰層的覆蓋面積逐漸減少，2007年，美國宇航局衛星顯示西北航道和東北航道有史以來第一次同時完全暢通，隨后的幾年高緯度地區附近的歐美等國紛紛嘗試了北極航道，北極航道大大地縮短美洲、亞洲和歐洲之間的距離，節約了40％左右的航程，由此可見北極航道擁有巨大的商業意義與戰略潛力。

導航系統的設計通常要求其在極區環境下仍然具備自主性、可靠性和高精度等優點。北冰洋地區水域，多數山脈會被白雪覆蓋，特征提取相對困難，路標定位并不是很好的選擇；極區環境惡劣氣溫較低，奧米加信號受高緯度地區極冠吸收現象影響，建設基站相對困難，信號難以接收，無線電定位也并不是很好的選擇。在極區附近，由于高緯度地區電離層閃爍頻繁，太陽黑子和磁暴會帶來高強電磁干擾，星體辨識度很差，因此以衛星導航系統(Global Positioning System,GPS)、星敏感器為代表的天文導航手段極區精度會受到一定的影響。地磁磁極與運載體距離較近，羅經天向軸與地磁軸接近重合，作用于水平的分量相對較少，極區的極光和磁暴頻發，嚴重時可使羅經的誤差達到幾十度，羅經在高緯度地區變得極易受干擾，尋北時間會極大地延長，羅經尋北也并不是很好的選擇。

慣導系統(Inertial Navigation System,INS)是一種不依賴于任何的外部信息，也不向外輻射任何能量的自主導航系統。從原理上來講不受地域上的限制，這也使得慣性導航系統成為火箭、飛機和船舶等航行器的必備導航工具，由于極區地球位置的特殊性，經線在近極點地區快速匯集成一點導致方位收斂速度過快方位跟蹤電機施矩動態誤差增大，無法很好地跟蹤真實北向，在捷聯慣性導航系統(Strapdown Inertial NavigationSystem,SINS)中,導航計算機中的數學平臺在計算指北坐標系相對地球坐標系的角速度時，如果運載體跨越極點，也會產生計算溢出現象，從根本上來講，目前基于指北方位編排的平臺式慣導系統和捷聯式慣導系統，在極區無法適用的原因本質上是尋北的困難。從慣性測量原理上來看，慣性器件測量不受地域限制，人為設置的指北基準和指北坐標系使得慣性導航系統不能適用。

針對以上問題，本發明設計了一種基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法，該方法首先針對極區慣導工作方式進行研究，采用逆坐標系方法，為航行器在高緯度地區提供角速度和加速度信息，而在低緯度區域下依然采用傳統指北坐標系工作模式，借助外界傳感器輔助減小轉換后工作模式的初始誤差。本發明專利可用于艦船極區導航，避免了捷聯慣性導航系統在極區附近不能工作的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于外傳感器輔助的雙坐標系轉換導航算法，包括以下步驟：

步驟一：建立逆地球坐標系，給出逆坐標系捷聯慣導系統的工作機理，為航行器在高緯度地區提供角速度和加速度信息，以實現極區慣性導航。在低緯度區域下依然采用傳統指北坐標系工作模式；

步驟二：建立基于圓球地球的誤差模型，根據逆坐標系和指北坐標系的誤差特性，建立誤差預測向量；