[发明专利]一种基于四元数CKF的低精度惯导初始对准方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种捷联惯导系统初始对准方法，尤其涉及一种基于四元数CKF的低精度捷联惯导的非线性初始对准方法。

背景技术

静基座条件下，捷联惯导系统（SINS）可利用加速度计和陀螺分别对重力加速度和地球自转角速度的量测值，粗略计算捷联惯导的姿态矩阵以完成粗对准，并在此基础上进行精对准。但在使用低精度惯性器件的条件下，由于陀螺精度低（其精度都在每小时零点几度到上百度），无法正确敏感地球自转角速率，以及其他各种环境因素的干扰，很难根据陀螺和加速度计的输出完成具有一定精度的粗对准。此时精对准往往需要在大姿态误差角的情况进行，特别是方位角误差可能达到几十度。传统捷联惯导的线性误差方程是在姿态误差为小角度的基础上推导得到的，当姿态误差角较大时无法准确刻画捷联惯导的误差传播特性。因此，需要研究能适用于大角度误差的非线性模型及相应的非线性滤波算法。

初始对准是捷联惯导系统中的关键技术之一，初始对准的时间和精度直接影响捷联惯导系统的工作性能。捷联惯导误差模型和滤波算法在初始对准中扮演着重要的角色。常用的SINS误差模型主要有φ-angle误差模型、ψ-angle误差模型、旋转矢量误差模型(RVE)、四元数误差模型(QE)等。其中四元数法因为其计算量小、精度高、非奇异性和可全姿态工作而得到广泛的应用。

传统的非线性滤波EKF在处理非线性较强的系统时，由于高阶项截断误差，会导致滤波数值不稳定性且有可能发散。而最近由加拿大学者Arasaratnam提出的基于三阶spherical-radial cubature准则的cubature kalman filter则克服了EKF缺点。CKF类似于UKF都避免了对非线性模型的线性化处理，不依赖于具体系统模型的非线性方程，算法相对独立，适用于任何形式的非线性模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决低精度的惯导大方位失准角初始对准问题，并且估计精度高、所需对准时间短，可靠性高的基于四元数CKF的低精度惯导初始对准方法。

本发明的目的是这样实现的：

1、包括以下步骤：

(1)利用GPS确定载体的初始精度、纬度参数；

(2)采集加速度计和磁强计输出的载体三轴加速度和磁力信息；

(3)利用采集的载体三轴加速度信息，根据下式确定初始纵摇角α₀和初始横摇角β₀，

α0=arcsin(fxbg)β0=arcsin(-fybgcosα0)]]>

式中：和分别是载体的x、y轴的加速度，g表示地球重力加速度；

(4)利用载体的三轴磁力信息以及步骤(3)中确定的载体初始纵摇角α₀和初始横摇角β₀，根据下式确定初始方位角γ₀；