基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行进间初始对准方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行进间初始对准方法，它涉及一 种惯性导航行进间初始对准方法，属于惯性导航初始对准技术领域。 二、
【背景技术】
[0002] 惯性导航行进间初始对准是指载体在运动过程中完成惯性导航系统初始对准的 技术，因此，它是动基座初始对准技术的一种。惯性导航行进间初始对准技术对于增强载体 的机动能力和快速反应能力具有不可估量的意义和作用。因此，如何在载体运动过程中实 现初始对准是一个值得研究的课题。
[0003] 与传统的静基座初始对准环境不同，在载体运动状态下，载体的位置、速度、加速 度以及角速度都在不断地发生变化，其对初始对准的影响主要具体表现为:一方面，线运动 会使惯性导航基本方程中的对地加速度、哥式加速度等参量时刻变化，因此在运动状态下 无法利用加速度计输出数据测得重力加速度的精确信息；另一方面，运动条件下载体振动 使得干扰角速度具有很宽的频带，陀螺仪输出信号信噪比较低，无法从陀螺仪输出数据中 将地球自转角速度这一对准的有用信息提取出来。
[0004] 可见，在载体运动条件下，就不能单纯依靠陀螺仪和加速度计的直接测量信息进 行初始对准，而需要引入测距或测速信息，以补偿运动过程中有害加速度对初始对准精度 的影响。目前，惯性导航行进间对准方法目前主要有捷联罗经法、惯性系对准方法以及最优 估计对准方法等。捷联罗经法应用了成熟的经典控制理论方法实现行进间初始对准，原理 简单但对准时间较长且对陀螺的低频干扰较为敏感，需要根据运动环境选取合适的控制参 数。惯性系对准方法以惯性空间为中间过渡坐标系，隔离载体角运动对初始对准的干扰，但 该方法仅对测量误差做简单处理，因而对准精度不高且不能获取载体的位置信息。最优估 计对准方法建立起惯性导航误差方程，利用里程计等测速传感器的测速信息作为量测信息 进行卡尔曼(Ka lman)滤波，估计出平台失准角等关键误差从而实现行进间初始对准。该方 法多是基于惯性导航线性化误差模型的，需要先在静止条件下获取粗略的初始姿态矩阵才 可进行，因此，在一定程度上削弱了载体的机动性优势。
[0005] 由此可见，各方法各有其特点和适用性。为了既能在运动过程中获取粗略姿态矩 阵，又能实现高精度姿态对准和位置导航，本发明单纯以里程计速度采样数据为对准辅助 信息提出一种基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行进间对准方法。该方法在仅知道初始 位置的条件下，即可实现高精度的惯性导航行进间初始对准。 三、
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明提出基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行 进间初始对准方法。首先在载体运动过程中，利用里程计的测速信息为辅助进行粗对准获 取粗略姿态矩阵，同时保存惯性测量元件(包括陀螺仪和加速度计)和里程计的采样数据。 然后进行反向姿态跟踪求得初始对准开始时刻的姿态矩阵。最后在此基础上，利用保存的 惯性测量元件采样数据和里程计速度采样数据进行Kalman滤波精对准。最终实现高精度的 姿态对准和位置导航。
[0007] 本发明所提出的基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行进间初始对准方法，用于 车载惯性导航系统，该系统包括传感器子系统、数据存储模块、粗对准计算模块、反向姿态 跟踪计算模块和精对准计算模块。它们之间的关系是:传感器子系统的采样数据分别传递 给数据存储模块和粗对准计算模块;粗对准计算模块计算出粗略初始姿态矩阵并将其传递 给反向姿态跟踪计算模块;反向姿态跟踪计算模块利用数据存储模块的传感器数据进行反 向姿态跟踪，并将其计算结果传递给精对准计算模块。精对准计算模块再利用数据存储模 块的数据进行精对准计算获取精确对准姿态矩阵和位置导航结果。
[0008] 本发明提出基于反向姿态跟踪的自主式惯性导航行进间初始对准方法，具体包括 以下步骤：
[0009]步骤一:建立过渡参考坐标系；
[0010] 整个对准算法建立的四个重要的过渡参考坐标系为初始时刻惯性坐标系（i〇系）、 初始时刻地球坐标系（eo系）、初始时刻导航坐标系(no系）和初始时刻载体坐标系（ib0系）， 其定义如下：
[0011] (1)初始时刻惯性坐标系（io系）
[0012]初始对准开始时，〇xlQ在当地子午面内，与赤道平面平行;0ZlQ指向地球自转轴方 向；OYiQ与OXiQ和0ZiQ组成右手螺旋坐标系；初始对准开始后，io系三轴相对于惯性空间不 变；
[0013] ⑵初始时亥I」地球坐标系(eo系）
[0014] 初始时刻地球坐标系以地球中心为坐标系原点，OXm在赤道平面内指向当地子午 线方向；OZio指向地球自转轴方向；OYi〇与OXi〇和OZi〇组成右手螺旋坐标系；该坐标系相对于 地球表面静止不动；
[0015] (3)初始时刻导航坐标系(n〇系）
[0016] 将初始对准开始时刻的东-北-天导航坐标系作为初始时刻导航坐标系;初始对准 开始后，该坐标系相对于地球表面不动；
[0017] ⑷初始时亥懺体坐标系（ib0系）
[0018] 将初始对准开始时刻的右-前-上载体坐标系作为初始时刻载体坐标系;初始对准 开始后，该坐标系相对于惯性空间不动；
[0019] 步骤二:在载体运动过程中，根据传感器子系统采样数据计算粗略姿态矩阵；
[0020] 以io系为过渡参考坐标系，导航坐标系(η系)相对于载体坐标系(b系)姿态矩阵 的计算分为两个部分，其计算过程如式(1)所示
[0021] (1)
[0022]其中，C,；；为n系相对于iQ系的转换矩阵；Cf为i〇系相对于b系的转换矩阵；
[0023] a计算矩阵q
[0024] 通过过渡参考坐标系no系、eo系，该矩阵的计算过程又可分为四个部分，即：
[0025] ⑵
[0026] 式中，^丨为!!系相对于地理坐标系（e系）的转换矩阵；?；为e系相对于nQ系的转换 矩阵；
[0027] 为nQ系相对于eQ系的转换矩阵；C；?为eQ系相对于 iQ系的转换矩阵；
[0028] 由于在粗对准模块中无法精确获取载体位置，因此，式(2)近似为：
[0033]式中，Lo为初始对准开始时的地理炜度；coie为地球自转角速度；Δ t为当前时刻t 与初始对准开始时刻tstart的时间差，即Δ t = t_tstart;将式(4-5)代入式(3)中后，可得：
[0035] b计算矩阵0
[0036] 以ibQ系为过渡参考坐标系，io系相对于b系的转换矩阵的计算分为两个部分， 即：
[0037] Q =Cl-Ct (7)
[0038] 其中，为iQ系相对于ibQ系的转换矩阵；为ibQ系相对于b系的转换矩阵；
[0039] 利用陀螺仪的测量角速度通过姿态矩阵微分方程(8)可直接得到矩阵
[0041] 式中，由于ib〇系与io系均相对于惯性坐标系（i系)不动，因此可用惯性测量元件的 角速度采样数据直接代替ω?;另外，在初始对准开始时刻，i bQ系与b系重合，所以矩阵 Cp的积分计算初值为单位阵I3X3;
[0042] 矩阵的计算需要用到地球重力加速度在惯性系中慢漂的性质；其计算方法如 下：
[0043] i b〇系和i 〇系均相对惯性空间不动，因此易知，矩阵<^°。为以常值矩阵;对载体速度 V" =?：·ν6两边求导可得：
[0044] r = c^-fk+ci：·^ (69)
[0045]其中，为载体加速度在η系中的分量为载体加速度在b系中的分量；
[0046]将其代入惯性导航基本方程中，则惯性导航基本方程可改写如式（10)所示的形 式；
[0047] c； . νΛ + Cl V + (ω；； + ω；；,)χ v,f-Γ = g" (10)
[0048] 其中，gn为地球重力加速度在η系中的分量;为地球自转角速度在η系中的分量； <4为η系相对于i系的旋转角速度;Γ为惯性测量元件的比力采样数据在η系中的分量；
[0049] 又已知姿态矩阵微分方程Q X]，其中为b系相对于η系的旋转角速 度。将其代入(10)中，可得：
[0050] q ·0)：*,X +Q wb + (ω：：, + ω；；,)χνη -?η = gn (Π )
[0051] 式中，可忽略不计，上式进一步改写为式（12);
[0052] V6 + X -f^ -g^' ( 12)
[0053] 其中，gb为地球重力加速度在b系中的分量;fb为惯性测量元件的比力采样数据;vb 用里程计速度采样数据4构成的速度测量矢量[0 v| of代替;而矿用里程计速度测量矢 量微分[0 V, of代替；需要说明的是，由于里程计速度采样数据中含有噪声，直接微分会 放大噪声而导致对准精度下降，因此需要使用跟踪微分器对4进行微分处理得到噪声干扰 较小的谗;
[0054] 为了获取矩阵g?。，需要通过gb与#间的重要关系式（13);
[0055] Qa gb = C；M · C： gB tl3)
[0056] 式中，地球重力加速度在b系下的分量gn=[0 0 _g]T为已知量;矩阵均可 由前面的计算得到，因此矩阵Ct的求解只需根据式（13)构造三个不在同一平面的向量即 可；
[0057] 为了构造向量，同时削弱噪声，将（13)式两边进行积分处理，得到：
[0060]得到转换矩阵Ct，需要通过0与8"间的重要关系式
[0062] 其中，CT、均可由前面的计算得到;将上式两边积分得
[0063] = C^u ·if°: (16)
[0064] 取两个时刻t#Pt2的积分值<°、C和&