基于高精度imu的捷联惯导初始对准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，对于相对地面静止的IMU，使用特定的3个半IMU的输出可实现捷联惯导初始对准，即解算出IMU相对于地球的姿态。特定的3个半IMU的输出数据中，3个数据中至少要有一个轴向的陀螺输出和一个轴向的加速度计输出是同轴的，半个IMU输出是指除这3个输出外剩下3个输出中一个或多个输出的有限信息。本发明可以提高姿态求解精度，在不需要利用其进行后续捷联惯性导航而只需要进行姿态求解的应用场合，可以省去部分轴向的加速度计或者陀螺，从而减少成本。
【专利说明】基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法
【技术领域】
[0001]本发明属于惯性导航系统的初始对准领域，具体涉及一种基于高精度惯性测量单元IMU在地球表面静基座情况下的初始对准方法。
【背景技术】
[0002]初始对准是惯性导航系统特有的一个工作状态和过程，其功能给定初始速度、初始位置和初始姿态。初始速度、初始位置的给定比较容易，获取高精度初始姿态是初始对准的关键和难点。通常，初始对准主要指姿态对准。根据对准方式的不同，姿态对准分为自对准和建立在主/子惯导传递基础上的传递对准。姿态自对准主要是在系统静止的情况下进行的，以地球重力方向作为水平姿态基准，利用地球自转角速度作为方位基准。初始对准按照对准阶段分可以分为粗对准阶段和精对准阶段，对于粗对准阶段，它利用IMU的6个输出，根据地球重力和自转信息，计算出IMU的姿态；精对准是在粗对准的基础上进行的，它需要采集一段时间的数据，采用卡尔曼或其他估计算法，校正粗对准阶段得出的IMU姿态。总之，对于自对准来说，要得出IMU的姿态信息，以前的方法总是需要IMU的全部6个输出。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种使用高精度惯性测量单元IMU的特定的3个半输出在地球表面静止情况下求解姿态的方法，即选择式对准方法。所谓特定的3个半IMU的输出数据中，3个数据中至少要有一个轴向的陀螺输出和一个轴向的加速度计输出是同轴的，另一个输出是剩余的4个输出中的任意一个,半个IMU输出是指除这3个输出外剩下3个输出中一个或多个输出的有限信息(如正负信息，大致幅值信息)。
[0004]实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，IMU由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，共有6个输出；对于相对地面静止的MU，使用特定的3个半IMU的输出实现捷联惯导初始对准，即解算出IMU相对于地球的姿态。
[0005]所述特定的3个半IMU的输出中，3个输出中至少有一个轴向的陀螺输出和一个轴向的加速度计输出是同轴的，半个IMU输出是指除3个输出外剩下3个输出中的一个或多个输出的有限信息。
[0006]设定地理坐标系为导航坐标系，记导航坐标系为n，载体坐标系为b，η到b的坐标变换矩阵为Cf,组成IMU的三轴陀螺输出分别记为wx，wy和Wz，组成IMU的三轴加速度计输出分别记为fx，fy和fz，设=
【权利要求】
1.一种基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，其特征在于:对于相对地面静止的IMU,使用特定的3个半IMU的输出实现捷联惯导初始对准，即解算出IMU相对于地球的姿态。
2.根据权利要求1所述的基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，其特征在于:所述特定的3个半IMU的输出中，3个输出中至少有一个轴向的陀螺输出和一个轴向的加速度计输出是同轴的，半个IMU输出是指除3个输出外剩下3个输出中的一个或多个输出的有限信息。
3.根据权利要求1所述的基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，其特征在于:设定地理坐标系为导航坐标系，记导航坐标系为η,载体坐标系为b,n到b的坐标变换矩阵为 组成IMU的三轴陀螺输出分别记为wx，wy和Wz，组成IMU的三轴加速度计输出分别记为fx，fy和fz，设
，求解Cf，得到4个<解；将4个<解分别代入到式⑴中，
分别反求出IMU的6个输出，将未使用的原始IMU输出中的一个或多个输出与其对应的反求出的MU输出比较，比较输出的正负号或差值，正负号一致或差值绝对值最小所对应的<的解为唯一正解。
4.根据权利要求3所述的基于高精度IMU的捷联惯导初始对准方法，其特征在于:所述求解C〗的方法如下: 第一种情况:已知某一轴向的加速度计和陀螺输出和另外一个轴向的陀螺输出，记这3个输出为fa，wa和we,下标α、β、y表示X、y或z,且互不相同,可得:
其中，wie为地球自转角速度大小，g为重力加速度大小，L为所在地球纬度，式(3)中，a、b和c满足:
式(4)中，条件
求得4个< 解； 第二种情况:已知某一轴向的加速度计和陀螺输出和另外一个轴向的加速度计输出，记这3个输出为f α, Wa和f e ,下标α、β、y表示X、y或z,且互不相同,可得:
式(6)中，a、b和c满足:
式(7)中，条件I指
求得4个<解。
【文档编号】G01C21/18GK104075716SQ201410308043
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】谭彩铭, 王宇, 朱欣华, 吴志强, 苏岩 申请人:南京理工大学