专利名称：基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法
技术领域：
本发明涉及一种基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，属于惯性导航技术领域。
背景技术：
自20世纪50年代末捷联惯导系统的概念提出以来，经过50多年的发展，捷联惯导系统已经广泛应用于军用、民用的多个领域，但是在精度、可靠性等方面还存在着不少的问题。总的来说，高精度的捷联惯导系统的性能主要依赖于两个方面高精度的惯导器件和理 想的导航算法。在捷联惯性导航系统中，机体的圆锥运动会产生所谓的圆锥误差，由于圆锥误差与划船误差等效，因此，对圆锥误差补偿算法的深入研究不仅有利于提高捷联惯性导航系统的姿态精度，也有利于提高捷联惯性导航系统的整体导航水平。自1971年Bortz提出等效转动矢量概念并分析了圆锥运动误差理论基础后，国外学者对圆锥误差补偿算法进行了大量深入的研究。但算法大多以角增量为输入信息，而对纯角速率输入的圆锥误差补偿算法的研究不多见，相关研究表明，将速率陀螺的输出乘以采样时间间隔作为角增量，直接代入角增量输入的圆锥误差补偿公式，不能有效地提高姿态角度精度。国内有学者利用硬件积分得到的角增量对系统圆锥误差进行补偿，但硬件积分器的加入不仅增加了捷联惯性导航系统成本，也增加了捷联惯性导航系统的复杂度；也有学者研究了纯角速率输入的姿态算法，推导了一种纯角速率输入圆锥误差补偿算法，但是在圆锥误差补偿算法优化上所采用的方法仍然为泰勒展开方法，该方法只适用于处于低动态和单一环境下的系统，在高动态和复杂环境下的导航精度低。
发明内容
本发明针对传统的角速率输入的捷联惯导姿态优化算法因不能全局考虑圆锥频率和姿态更新周期的影响而导致的圆锥误差补偿优化参数不适用于高动态和复杂环境下的捷联惯导姿态解算的问题，开展圆锥误差补偿算法研究，提出了一种基于角速率输入的构造环境下的全局频域最优捷联惯导姿态优化方法，从而建立适用于高动态和复杂环境的捷联惯导姿态更新方法。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
一种基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，包括以下步骤
(1)在圆锥运动条件下建立更新旋转矢量的理论值和估计值；
(2)建立基于角速率输入的旋转矢量更新误差准则；
(3)根据系统性能要求确定圆锥频率上限和子样周期并构建权重函数；
(4 )提出优化方法，建立优化目标；
(5)求解用于圆锥误差补偿的优化系数。步骤(I)中所述在圆锥运动条件下建立更新旋转矢量的理论值和估计值的方法如下首先给出圆锥运动环境下时刻载体系，定义为 系相对于导航系，定义为《系的角速率输出值在手下的投影的定义,根据此定义，并结合姿态四元数更新方程β(￡+Α)=β(ο 2(/2),导出时间区间
权利要求
1.一种基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于包括以下步骤(1)在圆锥运动条件下建立更新旋转矢量的理论值和估计值；(2)建立基于角速率输入的旋转矢量更新误差准则；(3)根据系统性能要求确定圆锥频率上限和子样周期并构建权重函数；(4 )提出优化方法，建立优化目标；(5)求解用于圆锥误差补偿的优化系数。
2.根据权利要求1所述的基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于步骤(I)中所述在圆锥运动条件下建立更新旋转矢量的理论值和估计值的方法如下首先给出圆锥运动环境下I时刻载体系，定义为b系，相对于导航系定义为η系的角速率输出值在 系下的投影的定义，根据此定义，并结合姿态四元数更新方程= 抑)，导出时间区间[U + A]内的姿态更新四元数WA)的表达
3.根据权利要求1所述的基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于步骤(2)中所述的建立基于角速率输入的旋转矢量更新误差准则的方法如下定义误差准则为e = ΦΖ~ΦΧ,即更新旋转矢量理论值和估计值在χ轴上的分量之差，其中Φ,为更新旋转矢量理论值在^轴上的分量，Φ,为更新旋转矢量估计值在轴上的分量，将步骤(O中获得的更新旋转矢量理论值Φ和估计值#的表达式代入上述误差准则，对2) 作一阶近似，即sin(ca/2) κι a/2 ,从而导出误差e的具体描述纪
4.根据权利要求1所述的基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于步骤(3)中所述的根据系统性能要求确定圆锥频率上限和子样周期并构建权重函数的方法如下系统在工作过程中，采样周期T恒定，圆锥频率与采样周期了有关的圆锥频率参数声e
随时间！发生变化，先根据系统技术性能指标确定最大圆锥频率和采样周期7，再根据关系式,5 = ΩΓ确定β的最大值L ;半锥角a与圆锥频率 Ω或圆锥频率参数卢之间的关系的处理，一是设定半锥角β为某一常数；或者是基于机动极限条件设定半锥角a与圆锥频车&的关系，通过角速率极限 μ和角加速度极限毛》对半锥角a与圆锥频率Ω或半锥角《与圆锥频率参数-的具体关系做限制性描述。
5.根据权利要求1所述的基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于步骤(4)中所述的建立优化目标的方法如下姿态优化的准则为，当圆锥频率参数4的取值范围为时，误差e(灼的绝对数值之和达到最小，或是当圆锥频率参数卢的取值范围为
时，使误差<灼的平方之和达到最小，从而得到优化目标为_(
6.根据权利要求1所述的基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，其特征在于步骤(5)中所述的求解圆锥误差补偿优化系数的方法如下为实现步骤(4)中提出的优化目标，首先将对优化系数=分别求一阶偏导，并置各偏导数为零，描述为
全文摘要
本发明公开了一种基于角速率输入的构造频域捷联惯导姿态优化方法，属于惯性导航技术领域。该方法在圆锥运动环境下，开展圆锥误差补偿算法研究，建立纯角速率输入的圆锥误差补偿模型；在构建近于实际载体运行环境的基础上，统筹考虑圆锥运动频率和子样周期，采用在选定的圆锥频率范围内的误差平方和最小的方法，获取圆锥误差补偿优化系数。本发明充分考虑了运载体的实际运动状况，使捷联惯导姿态解算综合性能得到提高，尤其在高动态和复杂环境下的精度更高。
文档编号G01C21/16GK102997920SQ20121052851
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者陈熙源, 汤传业, 黄浩乾, 方琳 申请人:东南大学