[發明專利]一種長航時慣導/天文全球組合導航方法

有效

• 申請號: 202110502741.X
• 申請日: 2021-05-09
• 公開（公告）號: CN113108788B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 王林;魏國;高春峰;于旭東;王國臣
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/16;G01C21/02
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 王文惠

1.一種長航時慣導/天文全球組合導航方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)確定大船、大飛機在高緯度航行區域的導航坐標系及位置表示方式，包括如下步驟：

(1.1)確定大船、大飛機高緯度地區航行時的導航坐標系，高緯度地區導航坐標系確定為格網坐標系，其中，格網坐標系的定義為：格網平面平行于格林尼治子午面，其與大船、大飛機位置點處切平面的交線為格網北向，地理北向與格網北向的夾角為格網角，以順時針為正；格網天向與當地地理坐標系天向相同，其與格網東向、北向一起構成右手直角坐標系；將格網角σ表示為

其中，表示L當地緯度，λ表示當地經度；

(1.2)將大飛機在地球坐標系e下的位置p表示為直角坐標(x，y，z)；

(2)確定大船、大飛機在格網坐標系下的更新方程，包括姿態更新方程、速度更新方程、位置更新方程，具體實施如下：

(2.1)確定格網坐標系下的姿態更新方程為：

其中，表示格網坐標系相對于載體坐標系b的方向余弦矩陣，表示載體坐標系相對于慣性坐標系i的旋轉角速度，表示格網坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度；

(2.2)確定格網坐標系下的速度v^G的更新方程為：

其中，

式中，f^b表示載體坐標系下表示的比力，g^G表示格網坐標系下表示的重力矢量，表示地球坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度在格網坐標系下的投影，表示格網坐標系相對于地球坐標系的旋轉角速度在格網坐標系下的投影，表示地球坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度在地球坐標系下的投影，ω_ie表示地球旋轉角速度，R_x為格網東向的曲率半徑，R_y為格網北向的曲率半徑，τ_f為扭曲半徑，表示格網東向速度，表示格網北向速度；

(2.3)確定格網坐標系下的位置更新方程為：

式中，表示地球坐標系e與格網坐標系G之間的方向余弦矩陣；

(3)確定大船、大飛機在格網坐標系下的姿態誤差方程、速度誤差方程、位置誤差方程，具體實施如下：

確定姿態誤差φ^G的方程如下：

其中，表示格網坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度誤差，表示載體坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度誤差；

確定速度誤差δv^G的方程如下：

其中，表示地球坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度誤差，表示格網坐標系相對于地球坐標系的旋轉角速度誤差，δf^b表示比力誤差；

確定位置誤差δp的方程如下：

式中，表示的誤差矩陣；

(4)分別確定RINS/CNS組合導航濾波器在地理坐標系與格網坐標系下的觀測方程；

在地里坐標系下的觀測方程為：

且地理坐標系下表示的東向、北向、垂向姿態誤差分別為0.5(Π₃₂-Π₂₃)、0.5(Π₁₃-Π₃₁)、0.5(Π₂₁-Π₁₂)；

在格網坐標系下的觀測方程為：

且格網坐標系下表示的東向、北向、垂向姿態誤差分別為0.5(Δ₃₂-Δ₂₃)、0.5(Δ₁₃-Δ₃₁)、0.5(Δ₂₁-Δ₁₂)；

其中，分別表示的解算值，φⁿ、φ^G分別表示地理坐標系下姿態誤差與格網坐標系下姿態誤差，表示慣性坐標系與載體坐標系之間的方向余弦矩陣，由天文導航系統提供，表示地球坐標系與慣性坐標系之間的方向余弦矩陣；

(5)確定大船、大飛機導航參數在地理坐標系與格網坐標系之間的轉換關系并進行轉換，導航參數的轉換包括姿態轉換、速度轉換、位置轉換；

其中，大船、大飛機姿態參數在地理坐標系、格網坐標系之間的轉換關系為：

式中，表示地理坐標系n與載體坐標系b之間的方向余弦矩陣，表示地理坐標系與格網坐標系之間的方向余弦矩陣；

大船、大飛機速度參數在地理坐標系、格網坐標系之間的轉換關系為：

式中，vⁿ表示地理坐標系下表示的速度；

大船、大飛機位置參數在格網坐標系、地理坐標系之間的轉換關系為：

式中，R_N為卯酉圈曲率半徑，f為橢圓扁率，h為大船、大飛機相對于水平面的高度；

離開高緯度地區時，緯度、經度、高度通過迭代近似逼近求解，包括初始化與迭代計算兩個步驟，首先初始化如下：

h＝0

R_N＝R_e

式中，R_e表示地球長半軸；

初始化結束后，按照如下過程迭代計算：

L＝arctan([z+e²R_Nsin L]/R)

式中，e表示橢圓偏心率；

迭代計算3～4次即滿足精度要求；

(6)完成RINS/CNS組合導航濾波器在地理坐標系與格網坐標系之間的轉換，其中RINS/CNS組合導航濾波器采用開環反饋校正方式，具體實施如下：

(6.1)分別確定地理坐標系與格網坐標系下的系統誤差狀態為：

地理坐標系下的系統誤差狀態xⁿ(t)為

格網坐標系下的系統誤差狀態x^G(t)為

其中，分別表示地理坐標系下表示的東向、北向、垂向姿態誤差，分別表示格網坐標系下表示的東向、北向、垂向姿態誤差，分別表示地理坐標系下表示的東向、北向、垂向速度誤差，分別表示格網坐標系下表示的東向、北向、垂向速度誤差，δL,δλ分別表示緯度、經度誤差，δx,δy,δz分別表示直角坐標x,y,z的誤差，分別表示x、y、z軸向陀螺常值零偏，分別表示x、y、z軸向加表常值零偏；

(6.2)分別確定姿態誤差、速度誤差、位置誤差在地理坐標系與格網坐標系下間的轉換關系為：

首先確定地理坐標系下姿態誤差φⁿ與格網坐標系下姿態誤差φ^G之間的轉換關系

式中，

其次確定地理坐標系下速度誤差δvⁿ與格網坐標系下速度誤差δv^G之間的轉換關系

式中，表示格網坐標系相對于地理坐標系方向余弦矩陣的誤差；

進而確定緯度誤差δL、經度誤差δλ、高度誤差δh與直角坐標位置誤差(δx,δy,δz)的轉換關系

陀螺常值零偏加表常值零偏在地理坐標系與格網坐標系下保持不變；

確定格網坐標系下的系統誤差狀態x^G(t)與地理坐標系下的系統誤差狀態xⁿ(t)之間的轉換關系如下：

x^G(t)＝Φxⁿ(t),xⁿ(t)＝Φ^-1x^G(t)

其中，Φ為轉換系數矩陣，并且根據φ^G與φⁿ之間的轉換關系，δv^G與δvⁿ之間的轉換關系，δx,δy,δz與δL、δλ之間的轉換關系，并考慮高度誤差δh、陀螺常值零偏加表常值零偏在地理坐標系與格網坐標系下的不變性進行確定；

(6.3)根據步驟(6.2)，確定地理坐標系下系統誤差狀態協方差矩陣Pⁿ(t)與格網坐標系下系統誤差狀態協方差矩陣P^G(t)的轉換關系：

Pⁿ(t)＝Φ^-1P^G(t)Φ^-T

式中，表示格網坐標系下表示的系統誤差狀態估計值，表示地理坐標系下表示的系統誤差狀態估計值；

(6.4)根據步驟(4)，當大船、大飛機處于中低緯度時，采用地理坐標系下的觀測方程，當大船、大飛機處于高緯度時，采用格網坐標系下的觀測方程，并且觀測方程與系統狀態方程對應，系統狀態方程確定后，觀測方程相應確定；

(6.5)當大船、大飛機在中緯度、高緯度地區連續航行時，開環反饋RINS/CNS組合導航濾波器完成在地理坐標系與格網坐標系之間的系統誤差狀態、協方差矩陣轉換，轉換方式按照步驟(6.2)、步驟(6.3)所述，轉換前后xⁿ(t)、Pⁿ(t)，x^G(t)、P^G(t)按照如下方式進行更新：

式中，上標+、-分別表示更新后時刻、更新前時刻，下標k+1、k分別表示離散化k+1、k時刻，K、P、H、R、Q、F、Υ分別表示增益矩陣、協方差矩陣、觀測矩陣、觀測噪聲強度矩陣、系統噪聲強度矩陣、狀態轉移矩陣、系統噪聲矩陣，x、z分別表示系統狀態向量、觀測向量，I為單位矩陣；

(7)采用輸出校正方式對RINS導航參數信息進行校正，在地理坐標系、格網坐標系下的導航參數校正方式分別如下：

式中，分別表示的解算值，分別表示vⁿ、v^G的解算值，分別表示L、λ、h的解算值，為x、y、z的解算值。