[发明专利]一种针对雷达阵面旋转的捷联惯导全姿态表示方法

说明书

本发明涉及一种针对雷达阵面旋转的捷联惯导全姿态表示方法，步骤为：1、建立初始条件：惯导固定于雷达车的雷达阵面上，设定不存在安装误差，将雷达阵面转动至直立位，设定该位置为雷达阵面俯仰角真值0°附近；2、惯导上电后开始对准，对准完成后，得到雷达阵面在俯仰角0°附近的惯导姿态对应的系统四元数、系统方向余弦矩阵、系统姿态角；3、绕阵面旋转中心点转动雷达阵面，在转动的过程中利用捷联惯导数值递推姿态更新算法，进行系统四元数和系统方向余弦矩阵的迭代更新，同时更新过程量系统姿态角；并实时将系统俯仰角与45°阈值进行比较，以确定用直立坐标系还是倒伏坐标系作为惯导载体坐标系，然后计算输出姿态角。本发明保证了输出姿态角的连续性和准确性。

技术领域

本发明属于捷联惯性导航设备全姿态提取领域，具体涉及一种针对雷达阵面旋转的捷联惯导全姿态表示方法。

背景技术

姿态角是一种最直观、最容易理解的姿态表示方法，广泛应用于海陆空天领域。某类型雷达车的雷达阵面俯仰角的工作范围是0°至90°，通常情况下，雷达阵面会在液压杆的起竖作用下，由倒伏状态切换至直立状态或者由直立状态切换至倒伏状态，即俯仰角在0°至90°间动态变化，见图1。惯导安装在雷达阵面上，设定不存在安装误差，那么惯导俯仰角也将在0°至90°间动态变化。在雷达阵面运动过程中，需要惯导实时准确地输出姿态角来反映当前的雷达阵面姿态。然而，常规的惯导姿态解算方案中，俯仰角在90°附近时，由于欧拉角奇异性，横滚角和方位角两者之间是无法单独分离的，或者说两者都存在多值性，这会引起较大的姿态角提取误差，使得雷达阵面无法获取准确的横滚角和方位角，进而影响雷达车的正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种当雷达阵面俯仰角在0°至90°间动态变化时，通过惯导能实时准确的提取姿态角，以能准确反映雷达阵面姿态的针对雷达阵面旋转的捷联惯导全姿态表示方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种针对雷达阵面旋转的捷联惯导全姿态表示方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、建立初始条件：惯导固定于雷达车的雷达阵面上，设定不存在安装误差，将雷达阵面转动至直立位，设定该位置为雷达阵面俯仰角真值0°位置附件；在惯导的控制系统内预设有两个载体坐标系，一个为直立坐标系，另一个为倒伏坐标系；直立坐标系定义为：雷达阵面俯仰角真值0°位置时，坐标系原点位于惯导质心，x轴指向雷达车左侧，y轴指向雷达车尾，z轴指向天，倒伏坐标系的定义为：依据右手定则，实时由当前的直立坐标系绕x轴按x轴的负方向旋转90°获得；

步骤2、惯导上电后开始对准，雷达阵面维持几分钟不动，对准完成后，得到雷达阵面在俯仰角0°附近时惯导姿态对应的系统四元数、系统方向余弦矩阵、系统姿态角；

步骤3、绕阵面旋转中心点转动雷达阵面，在转动的过程中利用捷联惯导数值递推姿态更新算法，进行系统四元数和系统方向余弦矩阵的迭代更新，同时更新过程量系统姿态角；并在该过程中，实时将系统俯仰角与阈值45°比较；若系统俯仰角小于45°，则处于直立状态，则在直立坐标系下，将系统四元数赋值输出四元数，然后利用四元数与姿态角间转换关系，计算得到输出姿态角，输出姿态角包括输出横滚角、输出方位角和输出俯仰角三个参量，若系统俯仰角大于等于45°，则处于倒伏状态，则利用转换四元数将惯导载体坐标系由当前直立坐标系依据右手定则绕x轴按x轴的负方向旋转90°得到倒伏坐标系，在倒伏坐标系下计算得到输出姿态角。

进一步的：当惯导载体坐标系由直立坐标系切换至倒伏坐标系后，计算输出的横滚角和方位角均与在直立坐标系下的一致，俯仰角相比直立坐标系存在-90°的固定差。

输出姿态角的计算过程如下：

1)计算转换四元数：记横滚角为γ，俯仰角为θ，方位角为Ψ，四元数为q，则姿态角与四元数转换关系：