[发明专利]卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法

权利要求书

1.一种卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)卫星导航接收机定位数据采集：组合导航计算机以周期T_G持续从与卫星导航接收机相连的接口读取卫星导航接收机输出的特定格式的导航信息，并进行解读，取得飞行器的实时三维位置、三维速度和航迹方位角，其中，三维位置包括经度λ，纬度L和高度H，当地地理坐标系下的东向速度V_E、东向速度V_N和东向速度V_U，航迹方位角ψ；

(2)卫星导航定位数据缓存：把步骤(1)中读入组合导航计算机的卫星导航接收机输出的三维位置、三维速度和航迹方位角与时间信息一并保存在导航计算机的内存空间变量中，缓存后的变量依次以符号λ_k-1表示经度、L_k-1表示纬度，H_k-1表示高度，V_E，k-1，V_N，k-1、V_U，k-1分别表示东向、北向和天向的速度，ψ_k-1表示航迹方位角，t_k-1表示时间信息；

(3)惯性测量单元数据采集：紧跟步骤(2)，通过模数转换或串行口，以周期TI读取惯性测量单元中陀螺和加速度计测量的三维角速率和三维比力，捷联惯性测量单元测得的信息均为飞行器角运动和线运动在机体坐标系b下的投影，三维角速率和三维比力分别ω_ib^bx，ω_ib^by，ω_ib^bz和f_x^b，f_y^b，f_z^b，其中T_G为T_I的整数倍，x，y，z表示机体系的三个坐标轴；

(4)飞行器运动加速度计算：在初次获得卫星导航数据，并经过至少2个周期T_G的时间后，在完成GPS信息解读时刻t_k，组合导航计算机中有经度λ_k、纬度L_k，高度H_k，东向方向速度V_E，k，北向速度V_N，k，天向速度V_U，k，航向角ψ_k，按如下的前后差分法计算飞行器的运动加速度：

aE=VE,k-VE,k-1TG]]>

aN=VN,k-VN,k-1TG;]]>

aU=VU,k-VU,k-1TG]]>

(5)将步骤(1)、步骤(3)和步骤(4)得到的实时位置、速度、运动加速度，代入捷联惯性导航系统比力方程，计算导航系下的三维比力，其计算方法如下：

fEfNfU=aEaNaU+0-(2ωieUn+ωenUn)(2ωieNn+ωenNn)(2ωieUn+ωenUn)0-(2ωieEn+ωenEn)-(2ωieNn+ωenNn)(2ωieEn+ωenEn)0VE,kVN,kVU,k-00g0]]>

式中，导航系下地球自转角速度在导航系的投影可由地球自转角速度及当地纬度计算得到：

ωien=ωieEnωieNnωieUn=0ωiecosLωiesinL]]>

导航系相对于地球的转动角速度可由飞行器的飞行速度和当地纬度、地球半径计算得到：

ωenn=ωenEnωenNnωenUn=-VN,kRVE,kRVE,kRtgL]]>

导航系下的计算得到三维比力[f_E f_N f_U]^T和步骤(3)得到的机体系下的比力[f_x^b f_y^b f_z^b]^T之间有如下变换关系：

fxbfybfzb=CnbfEfNfU]]>

Cnb=cosγcosψ+sinγsinθsinψ-cosγsinψ+sinγsinθcosψ-sinγcosθcosθsinψcosθcosψsinθsinγcosψ-cosγsinθsinψ-sinγsinψ-cosγsinθcosψcosγcosθ]]>

ψ，θ，γ分别为航向角、俯仰角和横滚角，

根据比力变换关系，可建立机体坐标系下的关于俯仰角和横滚角的三角函数方程：

fyb=(fEsinψ+fNcosψ)cosθ+fUsinθ---(1)]]>

fxb=(fEcosψ-fNsinψ)cosγ+(fEsinθsinψ+fNsinθcosψ-fUcosθ)sinγ---(2)]]>

式(1)和式(2)联立，用ψ_k代替航向角ψ后，只有θ，γ为未知量，式(1)只含有俯仰角一个未知量，通过式(1)求得俯仰角后，代入式(2)，则代入式(2)也只含有横滚角一个未知量；

(6)俯仰角和横滚角三角方程的快速数值求解：俯仰角的定义域为-90到90度，在该范围内，采用等步长间隔Δ_θ，Δ_θ可取0.5～1度，将俯仰定义域离散化，将离散化的俯仰角数值代入上述三角方程，进行比较寻优搜索，满足min{|cosθ(f_Esinψ+f_Ncosψ)+f_Usinθ-f_y^b|}的θ即为待求的俯仰角；对横滚角的定义域进行离散化，并遍历搜索，满足min{|(f_Ecosψ-f_Nsinψ)cosγ+(f_Esinθsinψ+f_Nsinθcosψ-f_Ucosθ)sinγ-f_x^b|}的γ即为待求的横滚角；

(7)将步骤(6)求得的俯仰角θ和横滚角γ，与已获取的经度λ_k、纬度L_k，高度H_k，东向速度V_E，k，北向速度V_N，k、天向速度V_U，k，航向角ψ_k组成初始状态，初始化捷联惯性导航系统的导航参数，实现对载体动态飞行中的捷联惯性导航系统空中初始对准。