[發(fā)明專利]一種基于凝固載體坐標(biāo)系的慣導(dǎo)初始姿態(tài)解算方法

在審

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• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN113155150A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張志利;周召發(fā);趙軍陽;馮磊;管世印;梁哲
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C25/00
• 分類號(hào): G01C25/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 燕肇琪

一種基于凝固載體坐標(biāo)系的慣導(dǎo)初始姿態(tài)解算方法，根據(jù)凝固載體系下重力矢量繞地軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和陀螺輸出，對(duì)加表量測數(shù)據(jù)進(jìn)行投影在初始時(shí)刻載體坐標(biāo)系內(nèi)投影點(diǎn)進(jìn)行空間圓擬合，空間圓圓心矢量即為地軸在凝固載體系下的表述，根據(jù)地軸、重力矢量、地理北向之間的三角關(guān)系得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的地理坐標(biāo)系，從而得到導(dǎo)航坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，實(shí)現(xiàn)晃動(dòng)基座的粗對(duì)準(zhǔn)。同現(xiàn)有技術(shù)相比相比的優(yōu)越性在于：不需要知道對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)得到精確經(jīng)緯度；通過數(shù)據(jù)擬合，充分利用對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)減輕了角晃動(dòng)產(chǎn)生的誤差影響，大幅度提高了對(duì)準(zhǔn)精度水平；減少了姿態(tài)矩陣的鏈乘次數(shù)，算法未用到正常重力場下重力的描述，可以消除因重力的擾動(dòng)造成的對(duì)準(zhǔn)誤差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地球物理、大地測量、自主定向技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于凝固載體坐標(biāo)系 的慣導(dǎo)初始姿態(tài)解算方法。

背景技術(shù)

初始對(duì)準(zhǔn)是確定載體坐標(biāo)系與參考導(dǎo)航坐標(biāo)系之間相對(duì)空間方位的過程，常用的導(dǎo)航 坐標(biāo)系有東—北—天地理坐標(biāo)系(適用于地球表面導(dǎo)航)、地心慣性坐標(biāo)系(常用于星際 導(dǎo)航)等，初始對(duì)準(zhǔn)的精度直接關(guān)系到后續(xù)導(dǎo)航定位精度的高低。

傳統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法包括雙矢量定姿、凝固坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)、多矢量對(duì)準(zhǔn)等，其思路均為觀察 不同矢量在兩個(gè)坐標(biāo)系的不同表征來完成初始對(duì)準(zhǔn)，矢量的選擇通常包括單一時(shí)刻的重力 矢量、不同時(shí)間段的重力矢量疊積分以及地球自轉(zhuǎn)角速度等，其對(duì)準(zhǔn)過程均需要知道精確 的地理緯度，從而得到不同時(shí)刻重力矢量在地理坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)，但實(shí)際情況下，精確的 地理緯度往往無法得知。在正常重力模型中，我們通常認(rèn)為重力矢量在地理坐標(biāo)系內(nèi)的表 達(dá)為[0 0 -g]，其中g(shù)的大小根據(jù)正常重力模型進(jìn)行計(jì)算，而真實(shí)重力矢量在地理坐標(biāo) 系下的表述往往不等于[0 0 -g]，二者之間存在重力異常，也因此在初始對(duì)準(zhǔn)過程中引入了誤差，該誤差可以等效為加速度計(jì)的偏值誤差，導(dǎo)致粗對(duì)準(zhǔn)精度不高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種在未知緯度的情況下，不采用正常重 力模型下的地理坐標(biāo)系表述方式，直接通過矢量空間計(jì)算來得到地理坐標(biāo)系在載體坐標(biāo)系 下的表述，完成初始對(duì)準(zhǔn)的凝固載體坐標(biāo)的慣導(dǎo)初始姿態(tài)確定方法。

現(xiàn)將本發(fā)明方法構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下：

本發(fā)明的基本構(gòu)思是：根據(jù)凝固載體系下重力矢量繞地軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù) 陀螺輸出，對(duì)加表量測數(shù)據(jù)進(jìn)行投影在初始時(shí)刻載體坐標(biāo)系內(nèi)，并對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行空間圓擬 合，空間圓圓心矢量即為地軸在凝固載體系下的表述，根據(jù)地軸、重力矢量、地理北向之 間的三角關(guān)系得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的地理坐標(biāo)系，從而得到導(dǎo)航坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn) 矩陣，實(shí)現(xiàn)晃動(dòng)基座的粗對(duì)準(zhǔn)。

根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明提供一種基于凝固載體坐標(biāo)系的慣導(dǎo)初始姿態(tài)解算方法，其特征在于：在未 知緯度情況下，通過將加表測量重力矢量投影在凝固載體坐標(biāo)系內(nèi)，并進(jìn)行空間矢量的運(yùn)算來構(gòu)建對(duì)應(yīng) 時(shí)刻的地理坐標(biāo)系，從而達(dá)到對(duì)準(zhǔn)目的；在進(jìn)行重力矢量數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用空間圓擬合的方法來對(duì)投影 后的重力矢量進(jìn)行處理，從而減小加表測量誤差產(chǎn)生的誤差影響，由于沒有使用[0 0 -g]^T的重力 表述，規(guī)避了地理坐標(biāo)系下的重力矢量的表述，從而減小重力異常對(duì)初始對(duì)準(zhǔn)的影響，具體包括如下 步驟：

步驟1：以地理系“東—北—天”為導(dǎo)航坐標(biāo)系n，載體坐標(biāo)系定義為b系，將初始 時(shí)刻的載體系進(jìn)行凝固，稱之為b₀系；根據(jù)陀螺輸出進(jìn)行姿態(tài)更新，將對(duì)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)的加速 度計(jì)測量矢量投影至b₀系，同時(shí)得到矩陣

步驟2：在b₀系內(nèi)對(duì)加速度測量矢量進(jìn)行空間圓擬合，完成數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行空間圓擬 合主要實(shí)現(xiàn)減小加速度計(jì)測量隨機(jī)漂移、常值漂移的誤差影響并得到擬合圓圓心；

步驟3：根據(jù)重力矢量的旋轉(zhuǎn)錐面特性，擬合圓的圓心矢量即為地軸在b₀系的投影， 重力矢量與地軸與該時(shí)刻的地理北向構(gòu)成一直角三角形，利用該三角形關(guān)系可以得到該時(shí) 刻的地理北向重力矢量反向即為天向軸地理東向即為對(duì)應(yīng)的即為矩陣