一种基于双模型切换的二次传递对准方法
【专利摘要】本发明提供一种基于双模型切换的二次传递对准方法，包括以下步骤：主惯导系统采用固定频率向子惯导系统发送导航参数，子惯导系统利用主惯导的导航参数完成粗对准；子惯导系统基于主惯导系统导航参数构造观测量；在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算，待失准角缩小到一预设角度α时，进行滤波切换，然后在欧拉角误差模型下使用标准卡尔曼滤波进行迭代解算，直到失准角估计值收敛且稳定；利用估计出的失准角来修正子惯导系统的姿态矩阵，得到捷联初始姿态矩阵，以完成二次传递对准。本发明的方法同时具备了线性模型滤波收敛速度快，精度高，非线性模型使用范围广的优点，同时可满足系统快速性，精确性，健壮性的要求。
【专利说明】一种基于双模型切换的二次传递对准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性导航系统【技术领域】，特别是一种基于双模型切换的二次传递对准 方法。
【背景技术】
[0002] 传递对准是利用主子惯导系统的速度、姿态等导航参数进行匹配，滤波估计出子 惯导系统相对与主惯导系统的失准角，从而建立精确的子惯导数学平台，同时对子惯导的 导航信息进行初始化的过程。
[0003]目前，在失准角为小角度条件下的快速传递对准技术已经较为成熟，在快速性和 精确性方面都能满足需求。然而，在工程应用中经常会出现失准角为大角度的情况。在这 种情况下传统的线性误差模型将不能准确的描述惯导系统的误差传播特性，从而会给滤波 结果带来较大误差，甚至导致滤波发散。
[0004]文献《IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS》第35卷中， 文献《Comparison of SDINS In-Flight Alignment Using Equivalent Error Models》中 研究了一种可用于大失准角条件下的基于四元数误差的非线性模型。该模型能应用在大失 准角条件下，但存在着滤波收敛慢，滤波收敛精度略差的缺点。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在针对在惯性导航系统动基座对准中存在大失准角时的快速与精确传 递对准问题，提出一种基于双模型切换的二次传递对准方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种基于双模型切换的二次传递对准方法，应用于由主惯导系统和子惯导系统组 成的惯性导航系统，前述主惯导系统和子惯导系统均为捷联式惯性导航系统，前述方法包 括以下步骤：
[0008] 步骤1、主惯导系统采用固定频率向子惯导系统发送导航参数，子惯导系统利用主 惯导的导航参数完成粗对准，前述导航参数包括速度，姿态和位置信息；
[0009] 步骤2、子惯导系统基于主惯导系统导航参数构造观测量；
[0010] 步骤3、在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算，待失准角缩小到 一预设角度a时，进行滤波切换，然后在欧拉角误差模型下使用标准卡尔曼滤波进行迭代 解算，直到失准角估计值收敛且稳定；以及
[0011] 步骤4、利用步骤3估计出的失准角来修正子惯导系统的姿态矩阵，得到捷联初始 姿态矩阵，以完成二次传递对准。
[0012] 进一步的实施例中，前述预设角度a的取值范围为：|aI彡5°。
[0013] 由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：
[0014]1、相对于基于四元数的非线性误差模型，本发明的方法具有计算量小，滤波收敛 快，对准精度高的优点。
[0015] 2、相对于基于欧拉角的线性误差模型，本发明的方法具有适用范围广的优点，既 可用于大失准角条件下，也可用于小失准角条件下。
[0016] 3、本发明的方法同时具备了线性模型滤波收敛速度快，精度高，非线性模型使用 范围广的优点，同时满足了系统的快速性，精确性，健壮性要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是二次传递对准仿真试验，基于双模型切换的二次传递对准与基于四元数误 差的传递对准结果对比图。
[0018] 图2是传递对准跑车试验中，对主惯导系统补偿不同角度时的姿态失准角估计曲 线。
【具体实施方式】
[0019] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0020] 根据本发明的较优实施例，一种基于双模型切换的二次传递对准方法，应用于由 主惯导系统和子惯导系统组成的惯性导航系统，前述主惯导系统和子惯导系统均为捷联式 惯性导航系统，前述方法包括以下步骤：
[0021] 步骤1、主惯导系统采用固定频率向子惯导系统发送导航参数，子惯导系统利用主 惯导的导航参数完成粗对准，前述导航参数包括速度，姿态和位置信息；
[0022] 步骤2、子惯导系统基于主惯导系统导航参数构造观测量；
[0023] 步骤3、在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算，待失准角缩小到 一预设角度a时，进行滤波切换，然后在欧拉角误差模型下使用标准卡尔曼滤波进行迭代 解算，直到失准角估计值收敛且稳定；以及
[0024] 步骤4、利用步骤3估计出的失准角来修正子惯导系统的姿态矩阵，得到捷联初始 姿态矩阵，以完成二次传递对准。
[0025] 作为一个较佳的实施例，前述预设角度a的取值范围为：|a| < 5°。例如可取 值为2°。
[0026] 下面详细说明上述各步骤的具体实施。
[0027]1)在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算，其实现包括以下步 骤：
[0028]11)四元数误差与速度误差方程：
【权利要求】
1. 一种基于双模型切换的二次传递对准方法，应用于由主惯导系统和子惯导系统组成 的惯性导航系统，前述主惯导系统和子惯导系统均为捷联式惯性导航系统，其特征在于，前 述方法包括以下步骤： 步骤1、主惯导系统采用固定频率向子惯导系统发送导航参数，子惯导系统利用主惯导 的导航参数完成粗对准，前述导航参数包括速度，姿态和位置信息； 步骤2、子惯导系统基于主惯导系统导航参数构造观测量； 步骤3、在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算，待失准角缩小到一 预设角度a时，进行滤波切换，然后在欧拉角误差模型下使用标准卡尔曼滤波进行迭代解 算，直到失准角估计值收敛且稳定；以及 步骤4、利用步骤3估计出的失准角来修正子惯导系统的姿态矩阵，得到捷联初始姿态 矩阵，以完成二次传递对准。
2. 根据权利要求1所述的基于双模型切换的二次传递对准方法，其特征在于，前述预 设角度ct的取值范围为：I a I彡5°。
3. 根据权利要求1所述的基于双模型切换的二次传递对准方法，其特征在于，前述步 骤3中，在四元数误差模型下使用扩展卡尔曼滤波进行迭代解算包括以下步骤： 11)四元数误差与速度误差方程：
式中，<=[叫叫Iu;!为地理坐标系相对于惯性坐标系的角速度在地理坐标系中 的投影，^ =[咚％咚]为陀螺仪的输出在载体坐标系中的投影；e b为陀螺的随机常 值漂移，Fg6表示陀螺测量白噪声；为利用速度和位置信息得到的< 的误差；CT为子 惯导捷联矩阵；/6为子惯导加速度计输出在载体坐标系的投影；V6为加速度计在载体坐标 系下的随机常值漂移；< 为地球坐标系相对于惯性坐标系的角速度在导航坐标系的投影； 为导航坐标系相对于地球坐标系的角速度在导航坐标系的投影；vn= [w Vu]为子惯 导在导航坐标系下的东北天速度；为速度误差方程中的非线性项； 12)惯性器件误差方程为：
选取主惯导系统和子惯导系统的速度差作为观测量，得到系统观测量为： Zobs = [ 5 Ve 5 Vn 5 Vul1 = H * X 式中，H= [04X3 I3x3 06X3]13X3，Sv由子惯导系统与主惯导系统在导航坐标系下的速 度做差得到； 15)根据前述建立的系统状态方程、系统观测方程以及系统的观测量，采用扩展卡尔曼 滤波器进行迭代解算，完成第一次对准，估测并补偿失准角。
4.根据权利要求1所述的基于双模型切换的二次传递对准方法，其特征在于，所述步 骤3中，欧拉角误差模型下的标准卡尔曼滤波迭代解算包括以下步骤： 21) 姿态误差与速度误差方程为：
式中：1是子惯导系统的东向失准角，&是子惯导系统的北向失准角，小"是子惯导 系统的天向失准角；S Ve是子惯导系统的东向速度误差，S Vn是子惯导系统的北向速度误 差，S Vu是子惯导系统的天向速度误差；VE为主惯导系统的东向速度，Vn为主惯导系统的北 向速度，Vu为主惯导系统的天向速度；fE为主惯导系统的东向比力，fN为主惯导系统的北向 比力，f"为主惯导系统的天向比力；L为主惯导系统的纬度，Rm是地球子午圈主曲率半径，Rn 是地球卯酉圈主曲率半径，h是高度，《 是地球自转角速度；^为子惯导系统X轴陀螺常 值漂移，4为子惯导系统y轴陀螺常值漂移，<为子惯导系统z轴陀螺常值漂移；为子 惯导系统X轴加速度计常值偏置，为子惯导系统y轴加速度计常值偏置，Vf为子惯导 系统z轴加速度计常值偏置； 22) 惯性器件误差方程：
式中，入x为子惯导系统X轴安装误差角，入y为子惯导系统y轴安装误差角，入z为子 惯导系统z轴安装误差角； 可得系统方程为：
24)建立系统量测方程，选取经过补偿后的主惯导系统与子惯导系统的姿态差和速度 差为观测变量，系统量测方程表达为： Z = HX+V 式中：z = ^v、H 为量测变量，V是量测噪声并且假定其为 均值为零的高斯白噪声，其协方差为E[VVT] =R，Sv由主子惯导在导航坐标系下的速度相 减得到，为子惯导与经过补偿后的主惯导姿态做差得到，由前述步骤1)得到的失准角 可得到矩阵<?：：，将主惯导系统的捷联矩阵与此矩阵相乘：
25)根据建立的系统状态方程、系统观测方程以及系统的观测量，采用标准卡尔曼滤波 进行滤波迭代解算，直到失准角估计值收敛且稳定。
【文档编号】G01C25/00GK104330092SQ201410356581
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】陈帅, 钟润伍, 王磊杰, 董亮, 余威, 常耀伟, 金磊 申请人:南京理工大学