[发明专利]基于状态相关李群滤波的捷联惯性导航系统初始对准方法

说明书

本发明公开了基于状态相关李群滤波的捷联惯性导航初始对准方法，使用李群和李代数描述载体的姿态，建立模型，将初始对准问题转化成姿态估计问题进行对准。SVD分解法是基于最小二乘原理的数学解算方法，无法考虑到观测矢量中的噪声项，解算过程包含了大量噪声信息，在实际环境当中干扰较大，惯性单元噪声很难统计造成数值解算精度大幅下降。由于模型线性化时带来的误差导致估计精度下降。四元数滤波算法的精度优于数值解算的方法，然而构建四元数量测方程时需要也需要对模型进行线性变换对滤波结果的精度和收敛速度都有影响。本发明提出的方法基于李群直接对量测模型进行建模不需要线性化，并且考虑到状态相关不确定噪声对系统的影响。

技术领域

本发明公开了一种基于状态相关李群滤波的捷联惯性导航系统初始对准方法，该方法属于导航方法及应用技术领域。

背景技术

所谓导航，就是正确地引导载体沿着预定的航线、以要求的精度、在指定的时间内将载体引导至目的地的过程。惯性导航系统根据自身传感器的输出，以牛顿第二定律为理论基础，对载体的各项导航参数进行解算。它是一种自主式的导航系统，在工作时不依靠外界信息，也不向外界辐射任何能量，隐蔽性好、抗扰性强，能够全天时、全天候为载体提供完备的运动信息。

早期的惯导系统以平台惯导为主，随着惯性器件的成熟和计算机技术的发展，上世纪60年代开始出现了惯性器件与载体直接固联的捷联惯导系统。与平台惯导相比，捷联惯导系统省去了复杂的实体稳定平台，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高等优点。近年来，捷联惯导系统日趋成熟，精度逐步提高，应用范围也逐渐扩大。捷联式惯性导航技术将陀螺仪和加速度计直接安装在载体上，得到载体系下的加速度和角速度，通过导航计算机将测得的数据转换至导航坐标系完成导航，它不需要实体的稳定平台，成本低、体积小、重量轻、可靠性高。

捷联式惯性导航系统进入导航任务前要先进行初始对准，目的是建立精确的初始姿态矩阵，从而得到载体相对空间的姿态。对准时间和对准精度是初始对准的两个重要指标。对准时间反映系统的快速反应能力，对准精度反映系统的导航性能。作为惯导系统的一个关键技术，初始对准是国内外学者多年来的研究热点。惯导系统的初始对准分为粗对准和精对准两个阶段。

比较传统的初始对准方法，仅适用于静止或微幅晃动的对准环境。对于工作在复杂环境中的载体，诸如发动机处于高频振动的汽车、格斗状态下的战斗机、浪涌下的舰船等，载体的角振动和线振动会导致初始对准的精度和稳定性下降。捷联惯导系统在自对准过程中的姿态时刻都在发生变化，初始对准的时间和精度会受到影响。因此，在运载体晃动干扰环境下完成初始对准过程，就必须屏蔽这些无法消除的扰动影响。对准领域的研究重点是动态情况下捷联式惯性导航系统的初始对准，致力于研究出抗扰能力强、对准精度高、适应于各种复杂恶劣环境的对准方法。本发明将姿态矩阵的求解问题转化为初始时刻惯性坐标系下的求解问题，并考虑可有效地解决晃动条件下初始对准的问题。

四元数的表示方法弥补了欧拉角的的不足，计算过程中不存在奇异点的问题，但是四元数存在约束条件，在采用四元数描述姿态运动时，在滤波过程中由于难以满足其约束条件而出现问题。四元数卡尔曼初始对准方法为了避免非线性模型，构造了伪量测方程进行滤波估计。构造过程中的求逆运算会导致滤波系统的不稳定。李群表示方法弥补了四元数存在的问题。基于SO(3)群的概率分布函数推导，由于SO(3)群是紧的，李群表示方法有效的避免了姿态解算中的奇异之问题，可以对姿态进行全局表示。基于李群描述的滤波运算，也大大减少了矩阵和向量转化中的计算误差，提升了计算速度和计算精度。但是现有的基于李群滤波的初始对准方法没有考虑到状态相关噪声对滤波过程的影响，导致计算结果中存在误差，影响对准精度。

针对上述问题，本发明对李群滤波中的状态相关噪声项进行计算与归纳，设计新的状态相关李群滤波代替原有的李群滤波完成初始对准任务。根据状态相关噪声的形式，设计状态噪声协方差矩阵，使其可以随着滤波过程进行迭代更新，逐渐向真实值逼近。状态相关李群滤波器相比于现有的李群滤波器，拥有更高的计算精度，能更好的完成晃动条件下的初始对准任务。

发明内容