基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性导航技术领域，特别是一种基于最优姿态匹配的动基座传递对准 时延补偿方法。
【背景技术】
[0002] 惯性导航系统在进入导航状态之前，必须经过初始对准。惯导系统传递对准是子 惯导系统数据动态地匹配主惯导系统数据的过程，即惯导系统用主惯导系统的速度和姿态 信息对准子惯导系统。传递对准过程中，由于主惯导的解算和传输延迟，子惯导解算信息与 进行匹配的基准信息不能完全同步，有些情况下时间延迟较大，从而会影响传递对准中卡 尔曼滤波器的收敛速度和精度。
[0003] 文献1;《计算机仿真》第25卷第2期中"传递对准中时间延迟的补偿方法"中提 出了直接利用主惯导姿态四元素、载机角速度和延迟时间等主惯导数据进行四元素计算， 得出延迟后的主惯导姿态四元素，进而获得补偿后的量测失准角的算法。但是此算法中时 间延迟是依靠硬件设备测量出来的，并且没有考虑到存在大安装角的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种速度快、精度高的基于最优姿态匹配的动基座传递对 准时延补偿方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于最优姿态匹配的动基座传递对准时 延补偿方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1，利用主惯导系统的导航信息对子惯导系统进行粗对准；
[0007] 步骤2,主惯导系统和子惯导系统分别进行导航解算，主惯导系统将得到的速度与 姿态信息传输给子惯导系统；
[0008] 步骤3,根据导航解算结果分别得到主、子惯导系统的捷联矩阵，同时构造子惯导 系统的安装角补偿矩阵，在子惯导系统中构造观测量，即得到主、子惯导系统之间的速度差 和量测失准角；
[0009] 步骤4,进行标准卡尔曼滤波迭代解算；建立捷联惯导系统状态方程、系统观测方 程W及系统观测量，并进行卡尔曼滤波迭代解算，得到主、子惯导系统传递对准的时延估计 值并进行补偿，得到对时间延迟补偿后的子惯导系统的姿态失准角。
[0010] 本发明与现有技术相比，其显著优点是；（1)将时间延迟作为状态变量加入了滤 波之中，可W精确有效地估计出时间延迟并进行补偿，显著提高了传递对准精度；（2)解决 了时间延迟问题，避免了利用硬件解决时间延迟带来的麻烦；（3)最优姿态算法与其他传 统传递对准算法相比具有形式简单、易于理解，可大大减小计算量的优点，能够在子惯导安 装角为大角度的环境下正常工作。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法的工作流程图。
[0012] 图2是实施例1中传递对准仿真试验对时间延迟补偿后载体飞行轨迹图。
[0013] 图3是实施例1中传递对准仿真试验对时间延迟补偿前、后姿态失准角曲线对比 图。
[0014] 图4是本发明传递对准仿真试验对时间延迟估计曲线图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016] 结合图1，本发明基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，包括W下步 骤：
[0017] 步骤1，利用主惯导系统的导航信息对子惯导系统进行粗对准，即将主惯导系统的 速度、姿态、位置信息传输给子惯导系统，子惯导系统利用主惯导传输的信息完成初始化工 作。
[0018] 步骤2,主惯导系统和子惯导系统分别进行导航解算，主惯导系统将得到的速度与 姿态信息传输给子惯导系统；
[0019] 步骤3,根据导航解算结果分别得到主、子惯导系统的捷联矩阵，同时构造子惯导 系统的安装角补偿矩阵，在子惯导系统中构造观测量，即得到主、子惯导系统之间的速度差 和量测失准角；
[0020] 步骤4,进行标准卡尔曼滤波迭代解算；建立捷联惯导系统状态方程、系统观测方 程W及系统观测量，并进行卡尔曼滤波迭代解算，得到主、子惯导系统传递对准的时延估计 值并进行补偿，得到对时间延迟补偿后的子惯导系统的姿态失准角；所述进行标准卡尔曼 滤波迭代解算，具体如下：
[0021] 第1步，根据捷联惯导系统的力学编排建立惯导误差模型，得到系统的误差方程， 包括姿态误差方程、速度误差方程及惯性器件误差方程，具体如下：
[0022] ( 1. 1)姿态误差方程与速度误差方程为：
[0023]
【主权项】
1. 一种基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1，利用主惯导系统的导航信息对子惯导系统进行粗对准； 步骤2,主惯导系统和子惯导系统分别进行导航解算，主惯导系统将得到的速度与姿态 信息传输给子惯导系统； 步骤3,根据导航解算结果分别得到主、子惯导系统的捷联矩阵，同时构造子惯导系统 的安装角补偿矩阵，在子惯导系统中构造观测量，即得到主、子惯导系统之间的速度差和量 测失准角； 步骤4,进行标准卡尔曼滤波迭代解算：建立捷联惯导系统状态方程、系统观测方程以 及系统观测量，并进行卡尔曼滤波迭代解算，得到主、子惯导系统传递对准的时延估计值并 进行补偿，得到对时间延迟补偿后的子惯导系统的姿态失准角。
2. 根据权利要求1所述的基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征 在于，步骤1所述利用主惯导系统的导航信息对子惯导系统进行粗对准，即将主惯导系统 的速度、姿态、位置信息传输给子惯导系统，子惯导系统利用主惯导传输的信息完成初始化 工作。
3. 根据权利要求1所述的基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征 在于，步骤4所述进行标准卡尔曼滤波迭代解算，具体如下： 第1步，根据捷联惯导系统的力学编排建立惯导误差模型，得到系统的误差方程，包括 姿态误差方程、速度误差方程及惯性器件误差方程； 第2步，根据惯导误差模型及系统误差方程建立捷联惯导系统的状态方程； 第3步，选取主、子惯导系统之间的速度差和量测失准角作为观测量，推导出平台失准 角、姿态失准角与量测失准角之间的关系，进而得到最优姿态匹配算法； 第4步，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进行卡尔曼滤波 迭代解算，得到主、子惯导系统传递对准的时延估计值以及对时间延迟补偿后的子惯导系 统的姿态失准角。
4. 根据权利要求3所述的基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征 在于，第1步所述系统的误差方程包括姿态误差方程、速度误差方程及惯性器件误差方程， 具体如下： (1. 1)姿态误差方程与速度误差方程为：
式中，小。小1^、小：1分别为东、北、天方向的平台失准角，3￥^6￥1<、6￥ 11分别为载体东、 北、天方向的速度误差，VE、VN、Vu分别为东、北、天方向的速度，L、h分别表示纬度和高度，R m 为椭球子午圈上各点的曲率半径，Rn为卯酉圈上各点的曲率半径，Wie为地球转动角速率， fE、fN、f；是惯导系统加速度计测量到的比力通过坐标转换后得到的导航系下东、北、天三个 方向上的比力分量，ε Ε、εΝ、％分别为地理坐标系内陀螺的等效漂移在东、北、天方向的分 量，▽ E、V N、V υ分别为地理坐标系内加速度计的等效偏置在东、北、天方向的分量； 速度Vi及比力&均由主惯导系统提供，其中i = E，N，U ;在地理坐标系内陀螺的等效 漂移ε i和加速度计的等效偏置^ i，由于对准时间短，这些等效量为随机常值，即有：
(1.2)安装误差角方程为：
将传递对准中的时间延迟作为随机常值处理，即主惯导系统时间延迟At的模型为：
其屮，λ Ε、λ Ν、λ u为子惯导系统相对主惯导系统的安装误差角在载体系在x、y、z轴上 的分量。
5.根据权利要求3所述的基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征 在于，第2步所述捷联惯导系统的状态方程如下式所示：
式中X为系统状态矢量，Z表示系统状态矢量的导数，F为系统状态转移矩阵，G为系统 噪声驱动矩阵，W为系统噪声矢量，具体如下： (2. I) X为系统状态矢量： χ=[φι SVi Δ t]16X1，i = E，N，U (2. 2) F为系统状态转移矩阵：
系统状态转移矩阵中矩阵块F1与F2如下所示：
并假设其为零均值高斯白噪声，协方差阵为E(WWt) = Q，Q为系统过程噪声方差阵； 式中：^为姿态矩阵^^^^^^分别为陀螺随机漂移在义^^轴上的分量^^^^、 Wvz分别为加速度计常值偏置在x、y、z轴上的分量。
6.根据权利要求3所述的基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法，其特征 在于，第3步所述最优姿态匹配算法，具体为： (3. 1)选取主、子惯导系统之间的速度差和量测失准角Φπ作为观测量，得到系统量测 方程为： Z = HX+V 式中，Z= [Φ" ΦΠ? Φπζ δνΕ δνΝ SVu]为观测量，φ"、φν、φπζ*量测失准角在 x、y、z轴上的分量；V是量测噪声且为均值为零的高斯白噪声，其协方差为E[VVT] =R，R为 量测噪声方差阵； (3. 2)量测失准角Φπ由以下推导得到：
式中，为主、子惯导系统体坐标系间的转换矩阵，C:为子惯导系统姿态矩阵的转 置，为主惯导系统姿态矩阵，C7是子惯导系统安装角姿态矩阵的补偿值，经过该矩阵补 偿后还存在不能直接补偿的安装误差角λ，且有：
即九=^ ，得到最优姿态匹配算法； 式中C：为矩阵CT啲转置，cr为矩阵C的转置，c：为子惯导数学平台坐标系到导航 坐标系的转换矩阵，Φ为子惯导平台失准角； (3. 3)考虑时间延迟后，量测失准角Φπ表示为：
速度误差为： δ V = Vs (t+ Δ t) -Vm (t) -fm (t) Δ t 式中，vs(t+At)为子惯导在t+At时刻的速度，Vni(t)为主惯导在t时刻的速度，乙⑴ 为主惯导在t时刻的比力； 由此可得系统的量测矩阵：
式中fiE、fiN、分别为主惯导对准时刻的比力信息在东、北、天三个方向上的比力分 量，《mx、ωην、为主惯导对准时刻在机体坐标系X、y、Z轴上的角速度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于最优姿态匹配的动基座传递对准时延补偿方法。包括以下步骤：利用主惯导系统的导航信息对子惯导系统进行粗对准；主惯导系统和子惯导系统分别进行导航解算，主惯导系统将得到的速度与姿态信息传输给子惯导系统；根据导航解算结果分别得到主、子惯导系统的捷联矩阵，同时构造子惯导系统的安装角补偿矩阵，在子惯导系统中构造观测量得到主、子惯导系统之间的速度差和量测失准角；建立捷联惯导系统状态方程、系统观测方程以及系统观测量，并进行卡尔曼滤波迭代解算，得到主、子惯导系统传递对准的时延估计值并进行补偿，得到对时间延迟补偿后的子惯导系统的姿态失准角。本发明能够进行精确的时延估计及补偿，具有广泛的用途。
【IPC分类】G01C21-16, G01C25-00
【公开号】CN104748761
【申请号】CN201310731634
【发明人】陈帅, 钟润伍, 王磊杰, 常耀伟, 金磊, 余威, 徐芹丽
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月26日