[发明专利]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

说明书

一种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，它包括以下步骤：一、建立过渡参考坐标系；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；三、跟踪微分器处理里程计速度微分；四、利用存储的传感器子系统采样数据，反向姿态跟踪计算初始对准开始时刻姿态矩阵；五、利用存储的传感器子系统采样数据进行惯性导航解算，建立Kalman滤波器进行精对准，获取精确的姿态矩阵和载体位置信息；本发明所述方法，充分利用了传感器采样数据，在仅知道载体初始位置的条件下，即可实现行进间的精确对准姿态阵获取和位置导航，大大提高了载体机动能力，是行之有效的行进间初始对准方法。

一、技术领域

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

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。

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。

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(Kalman)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。

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

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。

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。