一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法
【專利摘要】本發明屬于初始對準中誤差補償領域，具體涉及一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法。本發明包括：采集光纖陀螺儀輸出的角速度數據和石英加速度計輸出的加速度數據；通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度數據進行補償；采用解析法來完成粗對準，選取濾波初始值；估計出平臺失準角；完成精確的初始對準。發明中捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法是，根據已知的經緯度值并通過EGM2008模型計算出對準點的重力擾動值，然后算出的重力擾動值從加速度計中剔除掉，就得到重力擾動補償后加速度計的輸出，仿真結果表明重力擾動補償后可提高初始對準精度。
【專利說明】一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于初始對準中誤差補償領域，具體涉及一種捷聯慣導初始對準中重力擾 動的補償方法。
【背景技術】
[0002] 初始對準是捷聯慣性導航系統關鍵技術之一。初始對準精度直接影響捷聯慣性導 航系統的工作精度。捷聯慣性導航系統初始對準的主要目的是建立姿態矩陣的初值，初始 對準中通過初始對準狀態空間模型，利用卡爾曼濾波將初始失準角狀態估計出來并用以校 正姿態矩陣。傳統的對準過程包括粗對準和精對準兩個階段，首先用粗對準模型粗略估計 出失準角的大小，然后再利用精對準模型估計出失準角的大小而實現精對準。捷聯慣性導 航系統的嚴格數學誤差模型是一組非線性微分方程，而實際粗對準的失準角在很多情況下 為大角度，因此采用非線性模型更能真實的反映誤差傳播特性。
[0003] 慣性導航解算時通常用的是正常重力值，正常重力值是將地球近似為一個質量均 勻的旋轉橢球模型而得到的重力值；而實際由于地球內部質量分布不均勻，重力矢量包括 正常重力和重力擾動。由于不同地區地球內部質量分布不同，這些重力擾動在地表或者海 平面上是變化的。慣性加速度計不能區分地球重力的切線方向分量和機體的水平加速度， 因此這些重力擾動會引起慣導系統解算誤差。在慣性導航中，使用加速度計測量載體位置 的比力矢量，比力矢量是測量點絕對加速度5與重力加速度g之差為：/ = 5-g。從測得 的比力中補償掉引力加速度，就可以得到載體的絕對加速度，再根據絕對加速度和相對加 速度的關系，慣導系統可進一步求得載體的相對速度、位置。顯然，如果航跡上的重力加速 度f不能真實的反映實際重力加速度，那么將會導致測量點加速度的誤差，進一步導致導 航解算誤差。隨著慣性器件精度不斷提高與高精度慣性導航系統需求的發展，重力擾動成 為高精度慣導初始對準的一項主要誤差源。初始對準的精度的高低直接影響到慣性導航的 精度，要實現高精度的慣性導航有必要補償初始對準中的重力擾動。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了提高初始對準的精度，補償初始對準時存在的重力擾動，提 出用地球重力場模型EGM2008計算重力擾動并加以補償的捷聯慣導初始對準中重力擾動 的補償方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] (1)采集光纖陀螺儀輸出的角速度數據和石英加速度計輸出的加速度數據；
[0007] (2)通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度 數據進行補償；
[0008] (3)采用解析法來完成粗對準，通過初始矩陣Q'(0)確定載體的姿態信息即縱搖 角、橫搖角、航向角，其中b代表載體坐標系，n'代表計算導航坐標系；
[0009] (4)選取濾波初始值
[0010] i〇 = ￡[.V()], Pn = E[(x0 -x0)(x0 -?)7 ],
[0011] 其中Xtl為狀態變量的初值，Ptl為狀態變量的初始誤差協方差矩陣；
[0012] (5)利用無跡卡爾曼濾波方法進行濾波，估計出平臺失準角；
[0013] (6)利用估計出來的平臺失準角修正系統的捷聯初始矩陣Cf(O)，得到精確的初 始捷聯矩陣q(0)，即(^(O) = Ciqqoh從而完成精確的初始對準。
[0014] 重力擾動位T ( P , L,入），
[0015]
【權利要求】
1. 一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在于： (1) 采集光纖陀螺儀輸出的角速度數據和石英加速度計輸出的加速度數據； (2) 通過重力擾動位計算對準地點的重力擾動值，對石英加速度計的輸出加速度數據 進行補償； (3) 采用解析法來完成粗對準，通過初始矩陣q：'(〇)確定載體的姿態信息即縱搖角、橫 搖角、航向角，其中b代表載體坐標系，n'代表計算導航坐標系； (4) 選取濾波初始值 i-(1 = ￡[.v(1], /> = Ε[(χ0 -Λ-())(Λ-0 ^ 其中Xtl為狀態變量的初值，Po為狀態變量的初始誤差協方差矩陣； (5) 利用無跡卡爾曼濾波方法進行濾波，估計出平臺失準角； (6) 利用估計出來的平臺失準角修正系統的捷聯初始矩陣C/(〇)，得到精確的初始捷 聯矩陣G(O)，即q(o) = C;〉Cf (0)，從而完成精確的初始對準。
2. 根據權利要求1所述的一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的重力擾動位T ( P，L，λ )，
地球平均半徑為R，Θ =90-L是地心余緯度，位系數CM，Snm是已知的重力擾動的系數， 可通過EGM2008重力場模型獲得，L表示地球緯度，λ為地球經度，p為對準地點處的地心 向徑，GM為地球常系數，Ρ?( ·)為締合勒讓德多項式：
X為變量，I X I < I ;η稱為階，m稱為次，N = [ (n-m)/2]; 重力擾動位的梯度即為重力擾動矢量Sgn:
通過重力擾動矢量得到極坐標系下的重力擾動值：
在東北天-ENU地理坐標系上，重力擾動矢量3個軸向的分量為轉換到 地理坐標系為：
然后對加速度計的輸出進行補償。
3. 根據權利要求1所述的一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的初始矩陣：
Θ(Ι是縱搖角，Y (I是橫搖角，％是航向角。
4. 根據權利要求1所述的一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的狀態變量是平臺失準角、水平速度誤差。
5. 根據權利要求1所述的一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述的步驟（5)包括： (5. 1)構造2η+1維的Sigma點
其中4+1為k-Ι時刻的狀態估計,Plrf為k-Ι時刻的狀態誤差協方差矩陣,m為系統狀態 變量的維數，κ為比例系數，可用于調節Sigma點和的距離； (5. 2)確定權值
(5. 3)通過濾波方程進行時間更新
由％-1和Ph計算Sigma點ξ n，通過非線性狀態函數( ·)傳播為YkH，由YkH 可得狀態預測.和預測誤差協方差陣Pk/k+ Qlrt為系統噪聲； (5. 4)通過濾波方程進行量測更新 Kk = PkutfU+Rk)-1 Pk= (I-KkH)Pk^1 其中Rk為量測噪聲，Kk為濾波增益，Pk為估計誤差協方差矩陣，毛為狀態估計值其中 包括平臺失準角。
6.根據權利要求5所述的一種捷聯慣導初始對準中重力擾動的補償方法，其特征在 于：所述濾波方程包括狀態方程 文=/⑷+ ，系統噪聲向量『? < < wL <T
其中，心，馬分別為地球子午、卯酉曲率半徑，Φχ，Φρ小2為三個方向的平臺失準 角；Svx，δ'為速度誤差；L為當地緯度；Wie為地球自轉角速度； 為三個軸向的 陀螺漂移；為陀螺零均值高斯白噪聲；為三個軸向的加速度零偏； 為加速度計零均值高斯白噪聲；fx，fy，fz為加速度輸出比力在計算地理坐標系 上的值；C' u是載體系到計算地理系矩陣中的元素； 量測方程為： Z = HX+V 其中，量測量Z為慣導水平速度誤差δ vx，SVy ;H= [I2X2 02X3]，I2x2為單位二階矩陣， O2x3為2行3列零矩陣；V為量測噪聲。
【文檔編號】G01C25/00GK104374401SQ201410542256
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】何昆鵬, 王曉雪, 王剛, 王晨陽, 韓繼韜, 邵玉萍, 張興智, 張琳, 胡璞, 徐旭 申請人:哈爾濱工程大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
