捷联惯性导航系统的初始标定方法
【专利摘要】一种捷联惯性导航系统的初始标定方法，包括步骤：在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据；对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角；构建初始标定系统误差的离散系统模型，基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。本发明的技术，可以有效估计出北向陀螺漂移误差参数，利用估计出的高精度陀螺仪漂移误差，为捷联惯性导航系统的高精度运行提供了有效支持，有效改善了捷联惯性导航系统的可观测性，从而提高了初始标定的精度。
【专利说明】捷联惯性导航系统的初始标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及惯性导航【技术领域】，特别是涉及一种捷联惯性导航系统的初始标定方法。
【背景技术】
[0002]捷联惯性导航系统(StrapdownInertial Navigation System, SINS)的基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪和加速度计测量载体相对于惯性空间的角运动和线运动参数，根据捷联惯性导航编排方程，进行相应的积分运算，连续、实时地提供位置、速度和姿态等导航信息。由于捷联惯性导航系统完全依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界导航参数，因此，它具有隐蔽性好，不受气候条件限制，抗干扰能力强和无信号丢失等优点，是一种完全自主式、全天候的导航系统。因此，被广泛应用于航空、航天和航海等各个领域。初始标定是捷联惯性导航系统工作的重要组成部分，标定精度对捷联惯性导航系统导航工作时的精度有直接的影响。因此，初始标定是捷联惯性导航系统工作过程中十分关键的一步。
[0003]通常，捷联惯性导航系统初始标定在粗对准完成后进行。粗对准阶段就是在静基座条件下，根据陀螺仪和加速度计输出与已知地球自转角速度和重力加速度的关系，直接计算出载体的初始姿态。初始标定是在粗对准的基础上进行的，通常利用现代控制理论中的状态空间方法，得到惯性导航系统初始标定的误差方程，对陀螺仪和加速度计输出的数据进行捷联解算，然后进行估计，获得惯性器件的漂移误差。传统的标定方法利用标准卡尔曼滤波估计方法，对惯性器件的漂移误差进行估计。然而，通过系统可观测度分析可知，系统中的惯性器件漂移误差的状态可观测度较低，收敛速度较慢，所需估计时间较长，无法对陀螺漂移误差进行精确估计。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要针对上述估计时间较长，无法对陀螺漂移误差进行精确估计的问题，提供一种捷联惯性导航系统的初始标定方法。
[0005]一种捷联惯性导航系统的初始标定方法，包括如下步骤:
[0006]在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据；
[0007]根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系，对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角，包括航向角、俯仰角和横滚角；
[0008]构建捷联惯性导航系统的初始标定系统误差的离散系统模型，包括状态转移矩阵和量测矩阵；
[0009]基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
[0010]上述捷联惯性导航系统的初始标定方法，将陀螺仪的常值漂移误差作为模型的不确定参数，通过将不确定参数量化为多个确定的备选结果，利用多个卡尔曼滤波器分别进行估计。提高了滤波器的收敛速度和精度，进而提高了陀螺仪漂移误差估计的收敛速度和精度，可以有效估计出北向陀螺漂移误差参数，利用估计出的高精度陀螺仪漂移误差，为捷联惯性导航系统的高精度运行提供了有效支持。可广泛应用于各种中高精度捷联惯性导航系统的初始标定，有效改善了捷联惯性导航系统的可观测性，从而提高了初始标定的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为一个实施例的捷联惯性导航系统的初始标定方法流程图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明的捷联惯性导航系统的初始标定方法的【具体实施方式】作详细描述。
[0013]参见图1所示，图1为一个实施例的捷联惯性导航系统的初始标定方法流程图，主要包括如下步骤:
[0014]步骤S10，在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据。
[0015]步骤S20，根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系，对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角；包括航向角仍、俯仰角Θ !和横滚角Y I。
[0016]步骤S30，构建捷联惯性导航系统的初始标定系统误差的离散系统模型，包括状态转移矩阵和量测矩阵。
[0017]步骤S40，基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
[0018]上述捷联惯性导航系统的初始标定方法，将陀螺仪的常值漂移误差作为模型的不确定参数，通过将不确定参数量化为多个确定的备选结果，利用多个卡尔曼滤波器分别进行估计。提高了滤波器的收敛速度和精度，进而提高了陀螺仪漂移误差估计的收敛速度和精度，可以有效估计出北向陀螺漂移误差参数，利用估计出的高精度陀螺仪漂移误差，为捷联惯性导航系统的高精度运行提供了有效支持。可广泛应用于各种中高精度捷联惯性导航系统的初始标定，有效改善了捷联惯性导航系统的可观测性，从而提高了初始标定的精度。
[0019]在一个实施例中，所述步骤SlO在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据的步骤，具体包括如下:
[0020]步骤S101，在捷联惯性导航系统开机后，预热30分钟，直至陀螺仪和加速度计进入稳定工作状态。
[0021]步骤S102，在捷联惯性导航系统预热进入稳定工作状态后，保持捷联惯性导航系统保持静止不动，采集5·分钟的陀螺仪和加速度计的输出数据。
[0022]在一个实施例中，所述步骤S20根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系，对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角的步骤，具体包括如下:
[0023]步骤S201，根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系计算地理坐标系与载体坐标系间的欧拉角转换矩阵。
[0024]步骤S202，根据所述欧拉角转换矩阵计算粗对准过程中的俯仰角Q1、横滚角Yl和航向角奶。
[0025]需要说明的是，上述粗对准及计算初始姿态角过程中，所采用的技术手段并不影响步骤S30的离散系统模型的构建过程及步骤S40的北向陀螺仪常值漂移误差的估计值计算过程，步骤S30与步骤S40的过程是在粗对准的基础上完成。
[0026]在一个实施例中，所述步骤S30构建捷联惯性导航系统的初始标定系统误差的离散系统模型的步骤，具体包括如下:
[0027]步骤S301，在取东北天地理坐标为系导航坐标系，以及忽略位置误差和天向通道的速度误差的条件下建立捷联惯性导航系统的初始标定的状态方程。
[0028]步骤S302，选取捷联惯性导航系统的两个水平误差设为观测量，建立捷联惯性导航系统的初始标定的量测方程。
[0029]步骤S303，对所述初始标定的状态方程和量测方程进行离散化，获得离散化的初始标定的系统误差方程。
[0030]在一个实施例中，步骤S40基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值的步骤，具体包括如下:
[0031]步骤S401，基于所述离散系统模型，采用多模型估计方式将北向陀螺仪常值漂移误差设为离散系统模型的不确定参数，并将所述不确定参数量化为多个确定的备选结果。
[0032]优选地，对于上述量化不确定参数获取备选结果的步骤，具体包括:根据估计精度和计算复杂度确定备选结果的个数，并根据陀螺仪的精度水平，量化得到多个确定的备选结果。
[0033]步骤S402，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角和多个确定的备选结果对可观测的北向陀螺仪常值漂移分别进行估计，获得北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
[0034]在一个实施例中，步骤S402利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角和多个确定的备选结果对可观测的北向陀螺仪常值漂移分别进行估计，获得北向陀螺仪常值漂移误差的估计值的步骤，具体包括如下:
[0035]步骤a，对所述多个确定的备选结果进行参数初始化处理，获得备选结果的初始状态及其对应多个卡尔曼滤波器的初始概率。
[0036]步骤b，以所述初始姿态角为初始值进行捷联解算，确定载体的水平速度，获得北向陀螺仪常值漂移的量测量。
[0037]步骤C，根据所述离散系统模型和确定的备选结果初始状态计算状态一步预测和一步预测均方误差阵。
[0038]步骤d，根据所述离散系统模型的量测矩阵和所述一步预测均方误差阵获取新息方差，计算卡尔曼滤波增益和估计均方误差，根据所述北向陀螺仪常值漂移的量测量和状态一步预测获取各个卡尔曼滤波器的新息序列，根据所述新息序列分别求解各个卡尔曼滤波器的状态估计值。
[0039]步骤e，根据所述新息方差和各个卡尔曼滤波器的新息序列求解各个卡尔曼滤波器的新息概率，根据所述新息概率对相应的卡尔曼滤波器的初始概率进行更新，根据各个卡尔曼滤波器的状态估计值和更新的各个卡尔曼滤波器的概率获取北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
[0040]为了更加清晰本发明的技术方案，下面针对于上述各个实施例的过程作进一步的详细阐述。
[0041]在步骤S201中，加速度计输出数据与重力加速度以及陀螺仪输出与地球自转角速度关系如下:
【权利要求】
1.一种捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，包括如下步骤: 在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据； 根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系，对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角，包括航向角、俯仰角和横滚角； 构建捷联惯性导航系统的初始标定系统误差的离散系统模型，包括状态转移矩阵和量测矩阵； 基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
2.根据权利要求1所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，在捷联惯性导航系统保持静止不动的状态下，分别采集陀螺仪和加速度计的输出数据的步骤包括: 在捷联惯性导航系统开机后，预热30分钟，直至陀螺仪和加速度计进入稳定工作状态； 在捷联惯性导航系统预 热进入稳定工作状态后，保持捷联惯性导航系统保持静止不动，采集5分钟的陀螺仪和加速度计的输出数据。
3.根据权利要求1所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系，对捷联惯性导航系统进行粗对准解算，得到初始姿态角的步骤包括: 根据加速度计输出数据与重力加速度之间的关系以及陀螺仪的输出数据与地球自转角速度之间的关系计算地理坐标系与载体坐标系间的欧拉角转换矩阵； 根据所述欧拉角转换矩阵计算粗对准过程中的俯仰角Q1、横滚角^和航向角
4.根据权利要求1所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，所述构建捷联惯性导航系统的初始标定系统误差的离散系统模型的步骤包括: 在取东北天地理坐标为系导航坐标系，以及忽略位置误差和天向通道的速度误差的条件下建立捷联惯性导航系统的初始标定的状态方程； 选取捷联惯性导航系统的两个水平误差设为观测量，建立捷联惯性导航系统的初始标定的量测方程； 对所述初始标定的状态方程和量测方程进行离散化，获得离散化的初始标定的系统误差方程。
5.根据权利要求1所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，基于所述离散系统模型将未知的北向陀螺仪常值漂移量化为多个已知的备选方案，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角对可观测的北向陀螺仪常值漂移进行估计，得到北向陀螺仪常值漂移误差的估计值的步骤包括: 基于所述离散系统模型，采用多模型估计方式将北向陀螺仪常值漂移误差设为离散系统模型的不确定参数，并将所述不确定参数量化为多个确定的备选结果； 利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角和多个确定的备选结果对可观测的北向陀螺仪常值漂移分别进行估计，获得北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
6.根据权利要求5所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，利用多个卡尔曼滤波器，并根据所述初始姿态角和多个确定的备选结果对可观测的北向陀螺仪常值漂移分别进行估计，获得北向陀螺仪常值漂移误差的估计值的步骤包括:对所述多个确定的备选结果进行参数初始化处理，获得备选结果的初始状态及其对应多个卡尔曼滤波器的初始概率； 以所述初始姿态角为初始值进行捷联解算，确定载体的水平速度，获得北向陀螺仪常值漂移的量测量； 根据所述离散系统模型和确定的备选结果初始状态计算状态一步预测和一步预测均方误差阵； 根据所述离散系统模型的量测矩阵和所述一步预测均方误差阵获取新息方差，计算卡尔曼滤波增益和估计均方误差，根据所述北向陀螺仪常值漂移的量测量和状态一步预测获取各个卡尔曼滤波器的新息序列，根据所述新息序列分别求解各个卡尔曼滤波器的状态估计值； 根据所述新息方差和各个卡尔曼滤波器的新息序列求解各个卡尔曼滤波器的新息概率，根据所述新息概率对相应的卡尔曼滤波器的初始概率进行更新，根据各个卡尔曼滤波器的状态估计值和更新的各个卡尔曼滤波器的概率获取北向陀螺仪常值漂移误差的估计值。
7.根据权利要求6所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，将所述不确定参数量化为多个确定的备选结果的步骤包括: 根据估计精度和计算复杂度确定备选结果的个数，并根据陀螺仪的精度水平，量化得到多个确定的备选结果。
8.根据权利要求1至7任一项所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于，加速度计输出数据与重力加速度以及陀螺仪输出与地球自转角速度关系如下:
9.根据权利要求1至7任一项所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于， 初始标定的状态方程如下:
10.根据权利要求1至7任一项所述的捷联惯性导航系统的初始标定方法，其特征在于， 量化后的备选结果的初始化状态值如下:
【文档编号】G01C25/00GK103674064SQ201310656741
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】王柯, 曹全, 彭向阳, 朱庄生, 麦晓明, 陈锐民, 毛先胤 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 北京航空航天大学