[發明專利]基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法和系統有效
| 申請號： | 202110721264.6 | 申請日： | 2021-06-28 |
| 公開（公告）號： | CN113447025B | 公開（公告）日： | 2022-07-29 |
| 發明（設計）人： | 魏宗康;高榮榮;朱嘉婧 | 申請（專利權）人： | 北京航天控制儀器研究所 |
| 主分類號： | G01C21/20 | 分類號： | G01C21/20;G01C21/16 |
| 代理公司： | 中國航天科技專利中心 11009 | 代理人： | 臧春喜 |
| 地址： | 100854 北京*** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 基于 洛夫 慣性 導航 高精度 姿態 角解算 方法 系統 | ||
本發明公開了一種基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法和系統，該方法包括：確定克雷洛夫角及克雷洛夫角對應的角速度方程；計算得到克雷洛夫角在tk時刻的值；確定tk時刻時本體坐標系相對于導航坐標系的角速度進行迭代解算，得到迭代解算結果；根據迭代解算結果，更新姿態坐標變換矩陣，并支撐速度更新和位置更新。本發明以正交安裝于捷聯式慣性系統本體上的3個陀螺儀輸出角速率作為基于克雷洛夫運動學方程的輸入信息實現慣性導航姿態角的實時更新，在姿態角更新過程中采用迭代計算的方法提高了解算精度，保證了本體坐標系相對導航坐標系的穩定性。本發明首次給出了基于克雷洛夫角的捷聯式慣性系統離散化全姿態解算方法，具有精度高的優點。
技術領域
本發明屬于航空、航天技術領域，尤其涉及一種基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法和系統。
背景技術
慣性導航廣泛應用于導彈、飛機、艦船和兵器等領域，主要作用是實時確定載體相對導航系的位置、速度和姿態信息。捷聯式慣性系統與載體直接固連，通過陀螺儀測量角速度并經數學解算后給出三個姿態角的值。
目前，確定姿態信息的方法有方向余弦運動學方程、歐拉-克雷洛夫角運動學方程以及四元數運動學方程。方向余弦運動學方程的缺點是變換矩陣的參數為9個、聯系式為6個，計算量較大，在工程中應用較少。而采用四元數求解的坐標變換矩陣唯一，但由坐標變換矩陣求解姿態角時不存在唯一解。
相對而言，歐拉-克雷洛夫角運動學方程只有3個，但在本技術領域《慣性器件(上)》(中國宇航出版社)第46頁中，認為用歐拉-克雷洛夫角描述的運動學方程存在奇點，方程會退化。
發明內容
本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法和系統，旨在降低計算量的同時，提高慣性導航精度，實現全姿態高精度導航。
為了解決上述技術問題，本發明公開了一種基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法，包括：
確定克雷洛夫角及克雷洛夫角對應的角速度方程；其中，克雷洛夫角用于描述導航坐標系與本體坐標系之間的關系，導航坐標系經過三次轉動后到達本體坐標系，三次轉動對應的轉動角分別記作偏航角俯仰角ψ和滾轉角γ；
計算得到偏航角俯仰角ψ和滾轉角γ在tk時刻的值，分別記作：ψk和γk；
確定轉動過程中，tk時刻時本體坐標系相對于導航坐標系的角速度
根據克雷洛夫角對應的角速度方程，以及確定的ψk、γk和進行迭代解算，得到迭代解算結果；
根據迭代解算結果，更新姿態坐標變換矩陣，并支撐速度更新和位置更新，以提高慣性導航的精度。
在上述基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法中，
捷聯式慣性系統對應的本體坐標系記作O-X′Y′Z′，為動系；其中，OX′軸表示載體的縱軸，OZ′軸表示載體的橫縱，OY′軸與OX′軸和OZ′軸組成右手坐標系；
描述載體運動姿態角對應的導航坐標系記作O-XYZ，為定系；其中，初始時刻，OX軸指東，OY軸指北，OZ軸指天；
本體坐標系O-X′Y′Z′與導航坐標系O-XYZ的原點重合，均以捷聯式慣性系統的本體的幾何中心為原點。
在上述基于克雷洛夫角的慣性導航高精度姿態角解算方法中，導航坐標系到本體坐標系的轉動過程如下：
導航坐標系O-XYZ繞OZ軸轉動到達坐標系O-LNZ；
坐標系O-LNZ繞ON軸轉動ψ，到達坐標系O-X′NM；
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