[发明专利]未知纬度条件下捷联惯导直接解析式粗对准方法

说明书

本发明公开了一种未知纬度条件下捷联惯导系统的粗对准方法，属于惯性导航技术领域。由以下步骤组成，在对准时间内对捷联惯导加速度计、陀螺仪输出数据采集并进行平均滤波，获取载体系下的重力加速度与地球自转角速度的观测量均值，在利用观测量均值分别计算导航坐标系各轴向单位矢量在载体坐标系的正交基投影，最后利用正交基投影矢量直接建立正交姿态矩阵。本发明可不经过纬度估计直接通过解析式解算得到姿态矩阵，同时，对准完成后无需额外正交化处理过程，实例分析表明方法的对准精度与传统对准方法相当，但对准解算量大为降低，对准效率得到了提高。

技术领域

本发明提供的是一种未知纬度条件下捷联惯导系统的粗对准方法。

背景技术

捷联惯导初始对准是系统工作的基本前提，其核心任务是获取载体坐标系相对导航坐标系的姿态关 系。近年来，捷联惯导初始对准已经形成了许多成熟的方法，如基于最优估计的对准方法、罗经对准法、 基于矢量定姿的对准方法等等，诸多方法在应用过程中都需要精确的纬度信息支持。目前，纬度信息常来 源于卫星或无线电定位手段，而对于水下、地下、密林等无线电信号无法覆盖的区域，获得纬度值并非易 事，因此，研究未知纬度下的对准方法成为近年来初始对准研究的一个重要方向。

针对未知纬度捷联惯导对准问题，严恭敏在《航天控制》2008年第2期中的论文《纬度未知条件下捷 联惯导系统初始对准分析》提出了一种对准方法，该方法采用先进行纬度估计再利用估计纬度进行传统的 初始对准方案，方法的具体流程如图1所示。该方案基本原理主要利用了静止基座条件下地球自转角速度 与重力加速度在导航系的投影与纬度L的关系：

由于矢量夹角与投影坐标系无关，根据以上关系利用加速度计与陀螺仪观测值估计纬度：

式(2)中的反正弦计算容易受到观测误差影响，导致解算结果的溢出。估计完成后，利用估计纬度采 用解析式对准方法计算得到姿态矩阵

式中，与分别为载体系下加速度计与陀螺量测值，g和Ω分布为重力加速度与地球自转角速度常 量。采用该方法得到的姿态矩阵并非正交矩阵，对准后需要进行正交化处理，常采用如下正交化处理方法：

该处理方法在实际应用中，当受误差影响时式(4)难以确保开方矩阵的正定性，工程应用中一般采用迭 代方法：

该方法需要通过检测正交性误差的大小来终止迭代运算，一定程度上增加了方法应用的 复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纬度未知条件下捷联惯导系统在静止基座应用环境下的粗对准方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出的对准方法的流程如图2所示。在静止基座下，利用平均滤波后的加速度计与陀螺仪输出 数据分别建立导航坐标系东、北、天轴向单位矢量在载体坐标系下的正交投影，最后利用该正交投影矢量 直接构建正交的姿态矩阵，该方法无需纬度估计与正交化解算，避免了误差扰动导致的解算异常情况，进 一步简化了原有的对准解算流程，提高了对准效率。其具体步骤为：

步骤1：在粗对准时间内对捷联惯导IMU三轴加速度计、陀螺仪输出数据分别采集并进行积分解算：

其中，t₀为对准起始时间，t_d为对准数据采集截止时间；分别为捷联系统IMU加速度计与陀螺 仪的采集量，在静止基座下，该输出量近似为：分别为平均滤波后的加速 度计与陀螺仪观测量均值。