[发明专利]一种用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导初始对准方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种导航领域的初始姿态确定方法，特别是涉及一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法。

背景技术

惯性导航系统根据测得的移动载体的加速度，通过积分运算求得载体的速度与位置，因此，必须知道积分的初值即载体的初始速度和初始位置。此外，以地理坐标系为导航坐标系的惯性导航系统中，无论物理平台还是数学平台都是测量加速度的基准，而且平台必须准确地对准和跟踪地理坐标系，以避免由平台误差引起加速度计测量误差。在惯导系统加电启动后，平台的三轴指向是任意的，因此在系统进入导航工作状态前，必须将平台的三轴指向进行对准，此过程即为惯导系统的初始对准。初始对准的精度直接关系到惯导系统的工作精度。因此，初始对准是惯性导航系统的关键技术之一。

根据相关文献研究可知，两位置或多位置初始对准通过改变方位角可使系统状态变量变得完全可观测，此时可有效的提高初始对准精度。分析发现最优二位置初始对准在引入第二位置（即方位角改变180°）后，系统状态变量估计精度明显提高，这说明方位角的改变能有效提高系统误差状态量的估计精度。在多位置初始对准中方位角只改变了几个位置，因此若能够在更多的位置改变方位角，系统状态变量估计精度将会进一步提高。

旋转调制式惯导原理简单，但实现方案很多。按旋转轴进行区分，可分为单轴旋转调制、双轴旋转调制；从旋转级别来分，可分为系统级旋转调制方法和器件级旋转调制方法。系统级旋转调制是将整个IMU作为一个整体来旋转，其优点为工程实现简单，惯性器件正交性容易保证。而器件级旋转调制方法中，惯性器件单独进行壳体翻转，存在惯性器件正交性难以保证的问题。

发明内容

本发明的目的为在最优多位置初始对准技术研究的基础上进一步提高捷联惯导系统初始对准的精度与速度。本发明的技术解决方案为：提出了一种应用于天线跟踪稳定平台的捷联惯导转动基座初始对准方法，其特征在于在不改变系统现有硬件结构条件下，可充分利用天线跟踪稳定平台的结构特点进行转动基座初始对准，有利于提高捷联惯导系统的可观测性，从而有效地提高了捷联惯导系统初始对准的对准精度；其具体步骤如下：

步骤一、将捷联惯导安装到天线座旋转底盘上，捷联惯导到天线座底盘旋转中心的距离为r；

步骤二、利用全球定位系统GPS确定载体所在位置的经度λ、纬度L；

步骤三、根据所确定的经度、纬度信息以及惯导系统惯性器件的输出进行粗对准，得到惯性测量单元姿态矩阵的近似估计值；

步骤四、启动天线座底盘按照逆时针方向旋转，旋转角速率记为ω，并控制天线座底盘旋转整数圈，旋转圈数记为n；

步骤五、按照步骤三所确定的旋转方案旋转的同时，利用粗对准得到的姿态矩阵、惯性测量单元中陀螺实时输出的角速度信息和加速度计实时输出的比力信息，以更新惯性测量单元的姿态矩阵；

步骤六、通过卡尔曼滤波完成捷联惯导转动基座对准，具体步骤如下：

转动基座捷联惯导误差建模

首先，建立旋转捷联惯导系统的平台误差角方程，旋转捷联惯导从惯性测量单元中获取角速度和比力信息，经过可实现惯性器件敏感系s到载体坐标系b的转换，转换后的捷联解算流程与常规的捷联惯导系统是一致的，因此，其平台误差角方程形式仍为：

式中，为失准角矢量，为地球自转角速率在导航坐标系下的投影，为导航坐标系相对于地球坐标系在导航坐标系下的投影，为陀螺等效到导航坐标系下的误差；

其次，建立旋转捷联惯导系统的速度误差方程，由比力方程可得速度误差方程为：

式中，为载体在导航坐标系下的速度，为加速度计输出的比力；

最后，建立旋转捷联惯导系统的位置误差方程，惯导系统位置误差方程为：

式中，和分别为东向和北向速度误差，和分别为东向和北向速度，为地球子午圈主曲率半径，为地球卯酉圈主曲率半径，为高度，为载体所在地球纬度；

对于旋转基座捷联惯导系统初始对准来讲，可以不考虑轴方向的加速度和速度，即可以认为，，同时捷联惯导系统本身不存在相对于地球的线速度，因此可以略去以上惯导系统误差方程中的有关项，可得旋转基座捷联惯导初始对准系统的误差方程如下：

捷联惯导平台误差角简化方程：

捷联惯导速度误差简化方程：

捷联惯导位置误差简化方程：