[发明专利]基于LGMKF的SINS捷联惯性导航系统自对准方法

说明书

本发明公开了基于LGMKF的SINS捷联惯性导航系统自对准方法，采用李群描述代替传统四元数描述实现对SINS姿态变换的计算，利用李群微分方程建立基于李群描述的线性初始对准滤波模型，设计了LGMKF方法确定导航所需要的初始姿态矩阵。本发明采用LGMKF算法直接对初始姿态矩阵进行最优估计，从而将初始姿态估计问题转化为SO(3)群的最优估计问题，不仅实现了SINS的一步直接自对准，大幅度缩短了对准时间，并能够避免传统四元数描述初始姿态矩阵而产生的非唯一性和非线性问题，有效提高了对准精度，在实际工程中具有实用价值。

技术领域

本发明提出了一种基于李群矩阵卡尔曼滤波(Lie Group Matrix KalmanFilter,LGMKF)的SINS捷联惯性导航系统自对准方法，该方法属于导航系统初始对准技术领域。

背景技术

惯性导航系统在开始进行导航解算之前，需要进行初始对准。初始对准是惯性导航的关键技术。初始对准精度的高低很大程度上决定了导航的精度，初始对准的速度快慢一定程度上影响着导航系统的应用范围。惯性导航系统初始对准可分为粗对准和精对准，通常采用解析法、非线性滤波方法等进行粗对准，采用罗经法、非线性滤波方法等方法进行精对准。通过初始对准，获得初始姿态角，从而确定导航解算所需要的初始姿态矩阵。

对准精度和对准实时性是惯导系统进行初始对准时的两项重要技术指标。初始对准精度影响捷联惯性导航系统的性能，初始对准实时性标志着系统的快速反应能力。因此，在保证初始对准精度的同时提高初始对准的实时性，才能有效提高捷联惯性导航系统的性能。

发明内容

本发明的目的是为了应对由传统四元数方法描述初始姿态矩阵产生的非唯一性问题和非线性问题，提出通过李群描述代替四元数描述初始姿态矩阵的SINS捷联惯性导航系统自对准方法；利用李群微分方程建立基于李群描述的线性初始对准滤波模型，通过李群矩阵卡尔曼滤波(LGMKF)算法直接对初始姿态矩阵进行最优估计，将自对准的初始姿态估计问题转化为三维旋转群SO(3)群的最优估计问题，实现了SINS的一步直接自对准过程，大幅度缩短对准时间并提高对准的可靠性，避免了传统四元数滤波过程中由四元数向初始姿态矩阵转换时存在的复杂表述问题和大量计算误差，效降低计算复杂度并提高对准精度。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于LGMKF的SINS捷联惯性导航系统自对准方法，其特征在于，该方法通过下述步骤实现：

步骤(1)：SINS进行系统预热准备，启动系统，获得载体所在位置的经度λ、纬度L等基本信息，获取传感器实时数据，传感器实时数据包括惯性测量单元IMU中陀螺仪输出的载体系相对于惯性系的旋转角速率信息在载体系的投影和加速度计输出的载体系加速度信息f^b等；

步骤(2)：对采集到的陀螺仪和加速度计的数据进行预处理，基于李群微分方程，建立基于李群描述的线性初始对准系统模型，所述线性初始对准系统模型包括系统线性状态模型和线性量测模型：

本方法的详细描述中坐标系定义如下：

地球坐标系e系，选取地球中心为原点，X轴位于赤道平面内，从地心指向本初子午线，Z轴从地心指向地理北极，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系，随地球自转而转动；

地心惯性坐标系i系，选取地球中心为原点，X轴位于赤道平面内，从地心指向春分点，Z轴从地心指向地理北极，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系；

导航坐标系n系，表示载体所在位置的地理坐标系，选取舰载机重心为原点，X轴指向东向E，Y轴指向北向N，Z轴指向天向U；本方法中导航坐标系选取为地理坐标系；

载体坐标系b系，表示捷联惯性导航系统三轴正交坐标系，选取舰载机重心为原点，X轴、Y轴、Z轴分别沿舰载机机体横轴指向右、沿纵轴指向前、沿立轴指向上；