一种惯导系统初始对准方法及装置与流程
本发明涉及导航领域，尤其涉及一种惯导系统初始对准方法及装置。
背景技术：
初始对准一般用于确定惯性测量组件与导航坐标系之间姿态关系，也即是导航定位工作时初始时刻姿态矩阵。在惯性导航领域，初始对准的精度和对准时间直接影响到惯导系统的导航精度及反应能力，实际中，惯导系统的导航精度和反应能力是相互矛盾的技术指标，为尽快能达到极限对准精度往往需要较长的对准时间。
一般初始对准过程包括粗对准和精对准，粗对准用于确定惯导初始姿态，是惯导初始姿态误差满足小角度条件，是基于kalman滤波精对准的适用前提。精对准过程主要基于惯性导航误差模型，采用kalman滤波算法估计惯导姿态失准角等导航误差。但由于可观测性差，在精对准过程中，方位失准角误差估计相对于水平姿态失准角估计收敛速度慢，导致初始对准时间长。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种惯导系统初始对准方法及装置，以解决现有初始对准方法精对准过程对准时间长的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种惯导系统初始对准方法，包括：
惯性导航系统进行粗对准后，按正常采样和导航解算速率进行kalman滤波对准；
对准结束前利用已存储的惯性原始数据进行逆向导航解算和逆向kalman滤波对准；
逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种惯导系统初始对准装置，包括：
第一正向滤波模块，用于惯性导航系统进行粗对准后，按正常采样和导航解算速率进行kalman滤波对准；
反向滤波模块，用于对准结束前利用已存储的惯性原始数据进行逆向导航解算和逆向kalman滤波对准；
第二正向滤波模块，用于逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准。
本发明实施例中，惯导系统在粗对准后，按正常采样和解算速率进行卡尔曼滤波对准，对准结束后，根据已经采集并存储的惯性原始数据，进行逆向导航解算及逆向卡尔曼滤波对准，对准至初始开始对准，再次进行正向的导航解算和卡尔曼滤波对准，直至对准结束，通过重复的正反向滤波可以不断提升对准精度，加快收敛速度，缩短精对准时间，从而解决了初始对准速度慢、时间长的问题，基于反向卡尔曼滤波可以明显加快方位误差估计收敛，在保证对准精度的同时提升对准速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明的一个实施例提供的惯导系统初始对准方法的流程示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的惯导系统初始对准方法的另一流程示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的惯导系统初始对准方法的另一示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的惯导系统初始对准装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。
请参阅图1，图1为本发明一个实施例提供的惯导系统初始对准方法的流程示意图，包括：
s101、惯性导航系统进行粗对准后，按正常采样和导航解算速率进行kalman滤波对准；
所述粗对准用于初步计算导航系相对于惯导姿态的关系，所述kalman滤波是一种根据系统输入输出的观测数据，对系统进行最优状态估计的算法，基于采样数据，通过卡尔曼滤波对惯导系统进行初步对准。一般第一次卡尔曼滤波后，还存在较大的方位失准角误差。现有基于滤波方法的改进难以较大程度改善方位失准角的估计收敛。
定义导航计算周期为ts，正向导航解算递推更新流程包括：
根据公式(1)进行速度更新：
根据公式(2)进行姿态更新：
根据公式(3)进行位置更新：
其中，
正向kalman滤波状态方程为：
xk＝φk,k-1xk-1+wk-1(4)
其中，xk表示系统待估计的误差状态量，误差状态量中包括航向、姿态误差，速度误差，位置误差，陀螺测量误差和加速度计测量误差。
s102、对准结束前利用已存储的惯性原始数据进行逆向导航解算和逆向kalman滤波对准；
所述惯性原始数据为正向kalman滤波过程中采集的数据，包括观测数据、初始状态数据等。所述逆向导航解算为正向导航解算的逆过程，即在时间序列上表示惯导系统由tk逆向递推至tk-1时刻的解算过程。需要注意的是，逆向导航解算和正向导航解算在tk-1时刻的导航参数一致。
具体的，逆向导航解算过程为：
根据公式(5)进行姿态更新：
根据公式(6)进行速度更新：
根据公式(7)进行位置更新：
其中，
在逆向导航解算过程中先进行姿态更新再进行速度更新。
逆向kalman滤波对准模型主要包括两个部分：状态方程和量测方程。逆向kalman滤波对准采用与正向kalman滤波相同的观测量进行量测更新，其与正向kalman滤波对准量测方程也相同，其中，状态方程推导如下：
逆向kalman滤波对准状态方程与正向kalman滤波对准状态方程区别在于状态转移矩阵互为倒数，其递推计算过程与正向kalman滤波计算过程一致，可按标准kalman滤波过程进行计算。
s103、逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准。
逆向导航解算和逆向kalman滤波结束后，根据滤波结果再次进行正向滤波，进一步缩小方位失准角误差。
可选的，重复对所述已存储的惯性原始数据进行逆向滤波对准和正向滤波对准，以提升初始对准精度。
重复进行逆向kalman滤波和正向kalman滤波，使方位误差逐渐收敛，在预定精度下，可以提升对准精度，提高对准速度，缩短对准时间
可选的，在惯导具备转位机构基础上，滤波对准过程中绕z向单轴旋转以增加惯导系统可观测性。
通过本实施例提供的方法，将常规正向初始对准得到的较高精度的姿态信息反向导航到初始时刻，基于反向滤波进一步减小初始失准角估计误差，利用已存储的原始数据重新开始对准，通过正反向滤波对姿态失准角误差进行最优估计，同时，在不增加对准时间的前提下，通过提高惯性原始数据的利用率，在有限时间内实现误差估计快速收敛，缩短精对准过程对准时长。
在图1的基础上结合图2进行详述，图2为本发明一个实施例提供的一种惯导系统初始对准方法的另一流程示意图，以单轴调制激光惯导5min初始对准应用条件为例，在惯导系统5min初始对准过程中：
-1表示反向滤波对准，0表示粗对准，1表示正向滤波对准。
初始对准0s～120s内进行解析粗对准，完成惯导初始姿态和方位的确定，基于较为精确的惯导初始姿态和方位进行正向导航解算；
初始对准120s～300s进行第一次正向kalman滤波对准，以速度作为观测量对惯导方位、姿态失准角等导航误差进行估计。
初始对准结束前，进行反向kalman滤波对准，具体通过读取存储器存储的惯性原始数据进行逆向导航解算和滤波估计。
反向kalman滤波对准至对准开始时刻时进行第二次正向kalman滤波对准，读取存储器存储的惯性原始数据进行正向导航解算和滤波估计，300s时进行惯导方位、姿态失准角等导航误差修正，完成初始对准。
根据公式(9)进行粗对准过程：
其中，gn和
正向kalman滤波对准流程为：
建立kalman滤波初始对准状态空间模型：
其中
系统状态转移矩阵为：
系统量测矩阵为：
逆向导航解算流程为：
姿态更新如下：
速度更新如下：
位置更新如下：
与正向kalman滤波对准采用相同的观测量进行量测更新，其与正向kalman滤波对准量测方程相同，状态方程为：
由图3可见，5min初始对准方位误差估计曲线可以看出，第1次正向滤波对准时方位误差估计尚未收敛，第2次正向滤波对准结束时方位估计逐渐收敛，稳定精度优于0.02°，可以表明本发明可通过提高数据的利用率实现方位误差估计收敛，提高对准快速性。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图4为本发明实施例提供的一种惯导系统初始对准装置的结构示意图，该装置包括：
第一正向滤波模块410，用于惯性导航系统进行粗对准后，按正常采样和导航解算速率进行kalman滤波对准；
反向滤波模块420，用于对准结束前利用已存储的惯性原始数据进行逆向导航解算和逆向kalman滤波对准；
第二正向滤波模块430，用于逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准。
可选的，所述逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准还包括：
重复对所述已存储的惯性原始数据进行逆向滤波对准和正向滤波对准，以提升初始对准精度。
可选的，所述逆向对准至初始粗对准时刻，根据所述已存储的惯性原始数据进行正向滤波对准还包括：
在转位机构基础上，滤波对准过程中绕z向单轴旋转以增加惯导系统可观测性。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤s101至s103，所述的存储介质包括如：rom/ram、磁碟、光盘等。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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