申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2023-03-11

公开（公告）日：2024-02-23

公开（公告）号：CN116481564B

主分类号：G01C25/00

分类号：G01C25/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.23#授权;2023.08.11#实质审查的生效;2023.07.25#公开

摘要：本发明属于导航技术领域，公开了基于Psi角误差修正模型的极地双惯导协同标定方法，适用于极地环境无外界参考信息时双惯导系统的协同标定。本发明在椭球模型横地球坐标系的基础上，将两套惯导系统在横平台坐标系下的相对速度、横计算坐标系下的相对位置作为约束观测，建立了Psi角误差修正模型下的双惯导系统联合状态卡尔曼滤波器，对待标定惯导系统的误差参数进行标定估计。本发明方法标定精度不受正常工作惯导系统绝对误差的影响，在运动状态下也能进行标定；通过对速度误差模型的修正，避免动态情况下比力不准影响标定精度；Psi角误差模型定义在计算坐标系，与位置误差解耦，更适合极地航行的长航时舰船惯导系统的标定。

主权项：1.基于Psi角误差修正模型的极地双惯导协同标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1构建基于地球椭球模型下的横地球坐标系和横计算坐标系；以北纬0°东经90°点为横地球坐标系下的北极点，定义为横北极点，北纬0°西经90°点为横地球坐标系下的南极点，定义为横南极点，0°经线和180°经线包围的椭圆面为横赤道面，取横北极、横南极和北极点组成的半个大椭圆为0°横经线，所在平面为横本初子午面，将地球坐标系与新定义的横地球坐标系之间的转换关系表示为： 式中，e系表示地球坐标系，e′系表示横地球坐标系，表示地球坐标系与横地球坐标系转换的方向余弦矩阵；基于横经纬网定义横计算坐标系，横北向指向横北极，所在位置的法线向上为天向，按照右手坐标系定义横东向，将横计算坐标系与计算坐标系之间的转换关系表示为： 式中，c系表示计算坐标系，c′系表示横计算坐标系，β表示计算坐标系与横计算坐标系之间的旋转角度；确定β与经纬度、横经纬度之间的转换关系： 将横计算坐标系与横平台坐标系之间的转换关系表示为： 式中，p′系表示横平台坐标系，I表示单位矩阵，[ψ×]表示横计算坐标系下漂移误差角的反对称矩阵；将载体所在位置的法线与横赤道面的夹角定义为横纬度，与横本初子午面的夹角定义为横经度，将地球坐标系下定义的经纬度与横经纬度之间的转换关系表示为： 式中，Lt表示横纬度，λt表示横经度，L表示纬度，λ表示经度；2构建两套惯导系统的误差模型；定义正常工作的双轴旋转调制惯导系统为惯导1，其体坐标系b1定义为“右-前-上”，待标定的惯导系统为惯导2，其体坐标系b2定义为“右-前-上”；惯导1的标度因数误差及安装误差很小进而忽略，将惯导1的误差模型定义为： 其中， 式中，表示惯导1的陀螺组件误差，表示惯导1的加速度计组件误差，表示惯导1的x轴陀螺漂移，表示惯导1的y轴陀螺漂移，表示惯导1的z轴陀螺漂移，表示惯导1的x轴加速度计零偏，表示惯导1的y轴加速度计零偏，表示惯导1的z轴加速度计零偏，表示惯导1的陀螺漂移，表示惯导1的加速度计零偏，为惯导1的陀螺噪声，为惯导1加速度计噪声；考虑标度因数误差、安装角误差及零偏误差，将惯导2的误差模型定义为： 其中， 式中，表示惯导2的陀螺组件误差，表示惯导2的加速度计组件误差，表示惯导2陀螺组件输出的理论角速度矢量，表示惯导2加速度计组件测得的理论比力矢量，表示惯导2的x轴陀螺漂移，表示惯导2的y轴陀螺漂移，表示惯导2的z轴陀螺漂移，表示惯导2的x轴加速度计零偏，表示惯导2的y轴加速度计零偏，表示惯导2的z轴加速度计零偏，表示惯导2的陀螺漂移，表示惯导2的加速度计零偏，为惯导2的陀螺噪声，为惯导2加速度计噪声；δκg和δμg表示陀螺的标度因数误差矩阵和安装误差矩阵，δκa和δμa表示加速度计的标度因数误差矩阵和安装误差矩阵；确定δκg和δκa： 式中，δκgx、δκgy和δκgz分别表示x轴陀螺、y轴陀螺和z轴陀螺的标度因数误差，δκax、δκay和δκaz分别表示x轴加速度计、y轴加速度计和z轴加速度计的标度因数误差；确定δμg和δμa： 式中，δμgyx、δμgzx和δμgzy表示陀螺组件的三个安装误差角，δμayx、δμazx、δμazy、δμaxy、δμaxz和δμayz表示加速度计组件的六个安装误差角；3利用两套惯导系统输出的姿态、速度、位置相关信息，联合状态卡尔曼滤波器，具体步骤为：3.1确定系统联合误差方程： 其中， 式中，ψ1表示横计算坐标系下惯导1的漂移误差角，表示横平台坐标系下误差修正后惯导1的速度误差矢量，表示横计算坐标系下惯导1的位置误差，表示横计算坐标系下惯导1的地球自转角速度，表示横计算坐标系下惯导1的转移角速度，表示惯导1体坐标系至横平台坐标系的方向余弦矩阵，表示在横计算坐标系下惯导1的重力矢量，ψ2表示横计算坐标系下惯导2的漂移误差角，表示横平台坐标系下误差修正后惯导2的速度误差矢量，表示横计算坐标系下惯导2的位置误差，表示惯导2横计算坐标系下的地球自转角速度，表示横计算坐标系下惯导2的转移角速度，表示惯导2体坐标系至横平台坐标系的方向余弦矩阵，表示在横计算坐标系下惯导2的重力矢量，vp′表示载体在横平台坐标系下的速度，h表示载体所在位置的高度，Rx为载体所在位置的横东向的曲率半径，Ry为载体所在位置的横北向的曲率半径，为载体所在位置的扭曲率，RE和RN分别为载体所在位置的卯酉圈半径和子午圈半径；3.2确定联合状态方程： 其中， 式中，0i×j表示i行j列的零矩阵，和为惯导1输出的横纬度和横经度，和为惯导2输出的横纬度和横经度，分别表示横平台坐标系下载体在横东向、横北向、天向的速度，ωie表示地球自转角速度大小，表示惯导1输出位置处的重力加速度的值，表示惯导2输出位置处的重力加速度的值，C23表示矩阵的第二、第三列，C3表示矩阵的第三列，表示惯导2的x轴陀螺输出值，表示惯导2的y轴陀螺输出值，表示惯导2的z轴陀螺输出值，表示惯导2的x轴加速度计输出值，表示惯导2的y轴加速度计输出值，表示惯导2的z轴加速度计输出值；将状态向量xt表示为： 式中，ψE1、ψN1、ψU1分别表示惯导1在横东向、横北向、天向的漂移误差角，分别表示在横平台坐标系下惯导1在横东向、横北向、天向的速度误差，表示惯导1在横东向的位置误差，表示惯导1在横北向的位置误差，表示惯导1的天向误差，ψE2、ψN2、ψU2表示惯导2在横东向、横北向、天向的漂移误差角，分别表示横平台坐标系下惯导2在横东向、横北向、天向的速度误差，表示惯导2的在横东向的位置误差，表示惯导2的在横北向的位置误差，表示惯导2在天向的位置误差；将噪声分布矩阵及噪声矩阵表示为： 3.3确定状态约束观测方程：将惯导1、惯导2系统输出的速度、位置分别表示为： 式中，和分别表示惯导1和惯导2输出的横平台坐标系下的速度矢量，惯导1与惯导2之间的外杆臂参数在系统安装完毕后通过标定补偿，表示惯导1输出的横计算坐标系下的位置信息，表示惯导2输出的横计算坐标系下的位置信息，表示惯导2体坐标系相对于横平台坐标系的旋转角速度，表示两套惯导间的外杆臂，表示两套惯导间的外杆臂在惯导2体坐标系下的投影，rc′表示公共点的位置在横计算坐标系下的真值；由于两套系统反映的是同一载体的速度信息、位置信息，观测量实质上构成了惯导1、惯导2各自速度误差、位置误差的约束，将观测量表示为： 式中，υv、υr为相应的速度观测噪声、位置观测噪声；增加外界高度信息的观测 式中，表示惯导1输出的高度信息，δh1表示惯导1的高度误差，υh为高度观测的噪声；将观测方程表示为：zt＝Htxt+υt其中， H1＝[001]υt＝[υvTυrTυh]T式中，I3×3表示3行3列的单位矩阵；4确定两套惯导系统的转位次序：惯导1的转位次序为双轴16次序，具体转位流程如下：次序1：z轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序2：y轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序3：z轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序4：y轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序5：y轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序6：z轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序7：y轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序8：z轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序9：z轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序10：y轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序11：z轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序12：y轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序13：y轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序14：z轴以9°s反向旋转180°，转停100s；次序15：y轴以9°s正向旋转180°，转停100s；次序16：z轴以9°s反向旋转180°，转停100s；惯导2的转位次序为18次序，具体转位流程如下：次序1：y轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序2：y轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序3：y轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序4：z轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序5：z轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序6：z轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序7：x轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序8：x轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序9：x轴以9°s正向旋转180°，转停180s；次序10：x轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序11：x轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序12：x轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序13：z轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序14：z轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序15：z轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序16：y轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序17：y轴以9°s正向旋转90°，转停180s；次序18：y轴以9°s正向旋转90°，转停180s；基于联合转位方式，惯导1处于双轴旋转调制导航状态，惯导2处于标定状态，其陀螺标度因数误差、加速度计标度因数误差、安装误差均得到激励，根据步骤3建立联合状态卡尔曼滤波器即实现惯导2的极区外场标定。

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百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 基于Psi角误差修正模型的极地双惯导协同标定方法

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