专利名称：一种基于ccd星敏感器的标定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种标定方法，特别是涉及一种捷联惯导系统的标定方法。
背景技术：
捷联惯导系统是基于惯性测量元件和导航计算机构成的自主式导航系统。通常情 况下，不论是平台惯导系统还是捷联惯导系统，在进行导航工作前，都必须进行进行惯导系 统的初始对准，初始对准分为两个阶段，第一个阶段为粗对准；第二个阶段为精对准阶段。 精对准阶段一般采用卡尔曼滤波器对三个失准角进行估计。在静基座的对准模型中，不利 用任何的机动特性，卡尔曼滤波器只能估计出七个变量；当采用机动措施的情况下，卡尔曼 滤波器可以提高被估计量的数目。在陀螺常值漂移和加速度计的零偏得到估计后，对其进 行补偿，这种措施对提高导航设备的精度有很大的作用。利用CXD星敏感器进行初始对准时，由于其光轴指向精度可以达到20角秒以内， 因此对准精度高，并且快速、稳定；三个失准角在一定程度上可以通过CCD星敏感器进行一 次性的初始对准后得到，利用得到的失准角作为观测量，不需要运载体做任何机动措施便 可以估计出陀螺常值漂移和加速度计零偏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效提高导航设备导航精度的快速、稳定的基于 CCD星敏感器的标定方法。本发明的目的是这样实现的(1)采集C⑶星敏感器的输出C⑶星敏感器的坐标系相对于惯性坐标系即i系之 间的姿态信息 5;(2)采集当地位置信息即经度和纬度，得到地球坐标系即e系相对于导航坐标系 即η系的转换矩阵Ce";(3)求解e系相对于i系之间的转换矩阵C:；(4)通过⑴、⑵、(3)步骤中所给出的信息，解算得到姿态矩阵；(5)将步骤(4)中得到的姿态矩阵经过换算得到失准角，将其作为观测方程，代入 卡尔曼滤波器进行滤波估计；(6)通过步骤(5)估计出陀螺的常值漂移和加速度计零偏。本发明的方法具有以下优点本方法是一种依靠误差不随着时间的推移而发散的姿态传感器进行的标定方法， 短时间内可以达到稳定的标定结果，与以往的标定方法不同的是，它不需要进行任何机动 措施，便可以估计出陀螺常值漂移和加速度计零偏。对本发明的有益效果如下方式得以验证Matlab 仿真(1)在以下的仿真条件下，对该方法进行仿真实验
捷联航姿系统作三轴摇摆运动。载体以正弦规律绕航向角、纵摇角和横摇角摇摆， 其数学模型为ψ = vmsin(co ψ+φ v)+kθ = θ msin(co θ + φ θ)y = γηι8 η(ω γ + φ γ)其中Ψ，θ , Y分别表示绕航向角、纵摇角和横摇角的摇摆角度变量；Ψω，θω, Ym分别表示相应的摇摆角度幅值；ω ψ，ωθ, ω γ分别表示相应的摇摆角频率；φ ψ，φθ, Φ γ分别表示相应的初相位；而ω i = 2 π /Ti, i = ψ，θ，Y，Ti表示相应的摇摆周期；k为 真航迹。Τψ = 20s, T0 = 25s，Ty = 26s。载体初始位置北纬45. 7796°，东经126. 6705° ；载体真实姿态角Ψ= 0°，θ = 0°，γ = 30° ；赤道半径:Re= 63783930m ；由万有引力可得的地球表面重力加速度gQ = 9. 78049 ；地球自转角速度(弧度/秒)7· 2921158e-5 ；CCD星敏感器的最大误差η = 0. 01° ；陀螺仪常值漂移0. 01度/小时；陀螺仪白噪声误差0. 005度/小时；加速度计零偏10_4g0;加速度计白噪声误差5X10_5g。常数Ji= 3. 1415926 ；仿真时间:t= 3600s ；采样频率Hn= 0. 1 ；利用发明所述方法估计得到陀螺常值漂移如图1所示；加速度计零偏的估计值如 图2所示，通过图1可以看出三个常值陀螺漂移估计量较好，图2中的加速度计零偏也可以 较好的估计出来。
图1为利用Matlab仿真得到的x、y、ζ轴常值陀螺漂移估计曲线图；图2为利用Matlab仿真得到的x、y、ζ轴加速度计零偏估计值与真实值之间比值 的曲线图；图3为发明的步骤流程框图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述(1)采集C⑶星敏感器的输出C⑶星敏感器的坐标系相对于惯性坐标系(i系天 球坐标系)之间的姿态信息C/，i系与船舶载体坐标系(b系)之间的转换矩阵
6
C 卜《C;
(1)其中Cf为CXD星敏感器坐标系(S系)与b系之间的转换矩阵，它可以在导航设 备装船时通过光学瞄准精确获得；将天球坐标系O-UVW按照先绕W轴逆时针转w角，得到O-U1V1W1坐标系，再绕U1逆 时针转U角，使W1轴与Zs重合，得到O-U2V2W2坐标系，最后再绕W2轴逆时针旋转V角，得到 Os-UsVsWs 坐标系。
Csi =
cos w cos v-smw sin ν cos u sin w cos ν + cos w sin ν cos u sin ν sin u -cos wsin ν-sin TV cos vcos w - sin w sin ν + cos w cos ν cos u cos ν sin w sin wsinu— cos wsinucos u
)
2 C (2)釆集当地位置信息(经度和纬度)，可以得到地球坐标系(e系)相对于导航 坐标系(η系)的转换矩阵 Ce =
-sin^
cos Λ
0
一sin φ cos λ -sin ^ sin λ cos φ cos φ cos λ cos φ sin λ sin ^
/-S
3
C (3)求解地球坐标系(e系)相对于i系之间的转换矩阵Cf
CosiAj. +Wie ■ t)+Wie ■ t) 0
-sin(^. +wie · t) CO^iAj +wie · t) 0 C；=
) 4
0 0 1Wie为地球自转角速度，t是世界标准时间系统提供的具体时间，Aj是初始位置(经 度和纬度)与春分点之间的夹角。(4)通过⑴、⑵、(3)步骤中所给出的信息，解算得到姿态矩阵Chi=ChnCneCI(5)即可解算出姿态信息。(5)将步骤(4)中得到的姿态矩阵经过换算得到失准角，将其作为观测方程，代入 卡尔曼滤波器进行滤波估计；由于CCD星敏感的误差不随着时间的积累而增加，因此可以认为姿态矩阵为真实 的姿态矩阵，将此矩阵与惯导实时解算的姿态矩阵组合计算，得到三个失准角；Cnn =T-Cf-(C；-C；)"1Φχ = C(2,3)(jjy = C(3，l)(7)Φζ = C(l,2)其中C表示C "’；量测量为
(6)
系统的状态转移矩阵为
聯=
'F(t) =
SX12 Fi06
其中
Fs (t) = [F1 (t) F2 ⑴]
(14)
(13)
O2·Oie-Sin^ -2-COie-COS^OSlO ovsin 炉OOSiOOOte-Sin 於OOOOOOOOO-COie-COSVOOO-2-CJte-Sin^OOOOOOO F2CO =
《 0,
O,
'3x3
'3x3 -Cb Qie为地球自转角速度，识为当地地理纬度。
(16)
(15)其中5V(t)为惯导解算的速度与真实的速度之间的差值；(6)通过步骤(5)可以估计出陀螺的常值漂移和加速度计零偏。使用一阶线性随即微分方程来描述捷联航姿系统的状态误差如下X(t) = F(t)X(t) + G(t)W(t)(9)其中X(t)为t时刻系统的状态向量；F(t)和G(t)分别为系统状态矩阵和噪声矩 阵；W(t)为系统的噪声向量；系统的状态向量为X = [SVE SVn SVu φχ φγ φζ Wx Vy Vz εχ sy ezJ (10)系统的白噪声向量为W = \wVi、Wex We^ wEi 0 0 0 0 0 ο] (11)其中δ Ve δ Vn δ Vu分别表示东向、北向的速度误差；Vjc 力分别为Χ、γ、Ζ轴 加速度计的零偏；ε χ ε y ε ζ分别为Χ、Υ、Ζ轴陀螺的常值漂移；wI mVz分别为X、Y轴加 速度计的白噪声误差wsy \分别为X、Y、Z轴陀螺的白噪声误差；系统噪 声系数 矩阵为
(8
Z(t)
(12)
O3x6 O3x6 O6x6
O3X3
-Q"'
6x3
δ X3
C O3 O6
I_I
Il
权利要求
一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是(1)采集CCD星敏感器的输出CCD星敏感器的坐标系相对于惯性坐标系即i系之间的姿态信息(2)采集当地位置信息即经度和纬度，得到地球坐标系即e系相对于导航坐标系即n系的转换矩阵(3)求解e系相对于i系之间的转换矩阵(4)通过(1)、(2)、(3)步骤中所给出的信息，解算得到姿态矩阵；(5)将步骤(4)中得到的姿态矩阵经过换算得到失准角，将其作为观测方程，代入卡尔曼滤波器进行滤波估计；(6)通过步骤(5)估计出陀螺的常值漂移和加速度计零偏。FSA00000188977700011.tif,FSA00000188977700012.tif,FSA00000188977700013.tif
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述采集CCD 星敏感器的输出的方法为i系与船舶载体坐标系即b系之间的转换矩阵为^,其中为CCD星敏感器坐标系即s系与b系之间的转换矩阵，在导航设备装船时通过 光学瞄准精确获得；将天球坐标系O-UVW按照先绕W轴逆时针转w角，得到O-U1V1W1坐标系，再绕U1逆时 针转u角，使W1轴与Zs重合，得到O-U2V2W2坐标系，最后再绕W2轴逆时针旋转ν角，得到 Os-UsUsVsWs 坐标系；
3.根据权利要求2所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述地球坐标 系即e系相对于导航坐标系即η系的转换矩阵G为
4.根据权利要求3所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述e系相对 于i系之间的转换矩阵Cf为
5.根据权利要求4所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述姿态矩阵为
6.根据权利要求5所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述将姿态矩 阵经过换算得到失准角，将其作为观测方程，代入卡尔曼滤波器进行滤波估计的方法为
7.根据权利要求6所述的一种基于CCD星敏感器的标定方法，其特征是所述估计出陀 螺的常值漂移和加速度计零偏的方法为使用一阶线性随即微分方程来描述捷联航姿系统的状态误差 X(t) = F(t)^(t) + G{t)W(t)其中X(t)为t时刻系统的状态向量；F(t)和G(t)分别为系统状态矩阵和噪声矩阵； W(t)为系统的噪声向量； 系统的状态向量为
全文摘要
本发明提供的是一种基于CCD星敏感器的标定方法。(1)采集CCD星敏感器的输出CCD星敏感器的坐标系相对于i系之间的姿态信息(2)采集当地位置信息，得到地球坐标系e系相对于导航坐标系n系的转换矩阵(3)求解e系相对于i系之间的转换矩阵(4)通过(1)、(2)、(3)步骤中所给出的信息，解算得到姿态矩阵；(5)将步骤(4)中得到的姿态矩阵经过换算得到失准角，将其作为观测方程，代入卡尔曼滤波器进行滤波估计；(6)通过步骤(5)估计出陀螺的常值漂移和加速度计零偏。本发明的方法，短时间内可以达到稳定的标定结果。不需要进行任何机动措施，便可以估计出陀螺常值漂移和加速度计零偏。
文档编号G01C25/00GK101943585SQ201010215400
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者于强, 付建楠, 吴晓, 周广涛, 奔粤阳, 张永刚, 张鑫, 徐博, 胡丹, 高伟 申请人:哈尔滨工程大学