一种基于重力视运动的sins自对准与纬度计算方法
【专利摘要】本发明公开一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，包括以下步骤：1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量；2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响；3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径；4)构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准；5)根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算。
【专利说明】-种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于重力视运动的SINS初始对准与纬度计算方法，适用于载机 无线运动、摇摆条件下的初始对准对准，对准过程中不需要任何外部参考信息，且在对准过 程中，可以完成纬度的计算，属于导航算法的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 对于基于积分工作方式的惯性导航系统而言，初始对准是其工作的前提和基础， 也是INS的关键和难点技术之一。具体针对SINS而言，初始对准是指获取载体系b与导航 系η之间的姿态矩阵。在诸多的SINS初始对准方法中，自对准技术因不需要利用外部参考 导航信息而被广泛研究与关注。常用的自对准方法包括有：基于重力加速度与地球自转角 速度的解析法对准、基于罗经效应的罗经法对准、基于零速约束与Kalman滤波技术的零速 对准等。
[0003] 然而上述方法在晃动基座上进行初始对准时，均存在抗干扰能力不足的缺点。如 在晃动基座上，因地球自转角速度完全淹没在陀螺噪声中，无法完成对准。
[0004] 此外，上述方法在初始对准过程中均需要利用外部位置信息。如解析对准需要利 用纬度信息对地球自转角速度进行分解；罗经法与零速对准中，需要位置信息构成SINS解 算回路。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明的目的在于在未知纬度信息的条件下，完全利用惯性仪表自身 的测量数据，完成SINS的初始对准，并获取纬度信息以供后续导航解算。
[0006] 技术方案：本发明所述的基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，
[0007] 本发明与现有技术相比，其有益效果是：1)初始对准过程中，不需要外部参考辅 助导航信息；2)加速度计测量噪声不需要通过速度积分方法进行平滑，而是通过参数辨识 与重构方法进行去除；3)用于初始对准的三个向量实际包含了对准过程中所有量测值的 信息，而非仅三个时间点；4)对准结束过程以及对准结束后，可对外输出参考维度信息，用 于SINS的导航解算或其他设备使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为本发明使用的重力视运动示意图；
[0009] 图2为本发明使用的重力视运动圆锥中心轴求解示意图；
[0010] 图3为本发明失准角误差估计误差图；
[0011] 图4为本发明纬度计算误差图。
【具体实施方式】
[0012] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。
[0013] 实施例：
[0014] 本发明针对惯性系中重力视运动构成的圆锥体，利用陀螺仪和加速度计测量值构 建重力视运动向量，利用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响，利用三个时刻的 重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半径，并构建锥体中心轴 向量，通过向量运算方法完成初始对准，根据锥体中各向量几何关系完成纬度计算。
[0015] 下面结合附图对本发明实施方法做更详细地描述：
[0016] 图1为本发明使用的重力视运动示意图，在惯性系中观察随地球自转的某点的重 力加速度指向与大小的变化，构成该圆锥。
[0017] 利用陀螺仪和加速度计具体获得图1中圆锥的各重力视运动向量，具体包括如下 步骤：
[0018] 凝固初始时刻h的载体坐标系b为惯性坐标系，得到初始时刻b系与4,系间姿 态矩阵为
【权利要求】
1. 一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量； 2) 采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响； 3) 由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及底圆半 径； 4) 构建锥体中心轴向量，通过向量运算方法完成初始对准； 5) 根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算。
2. 根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征 所述的步骤1)由陀螺仪和加速度计测量值构建重力视运动向量具体包括如下步骤： 凝固初始时刻h的载体坐标系b为惯性坐标系4。，得到初始时刻b系与4"系间姿态矩 阵为亡=/，I为3X3的单位矩阵； 利用陀螺仪的测量值跟踪b系相对于4。系的变化： ^(〇 = ^·(0?Λχ) ⑴ 式中，上标表示计算值；"?"表示测量值； 通过式⑴计算得到的姿态矩阵将加速度计的测量值尸(〇投影到4。系中，得到惯 性系中重力视运动向量/'Μ(0为： r^t)=cr(t)fb(t) (2)。
3. 根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征 在于，所述的步骤2)采用参数辨识与重构方法消除仪表随机噪声的影响，具体包括： 求取重力视运动的理想表达式如下：
(3) 式中，fn为导航系η中重力加速度向量；g为重力加速度；θ(ι为初始时刻地球系；e为地 球系；ω ie为地球自转角速度；aij与h (i，j = 1?3)分别为矩阵Q与?中的各元素 ；Aij 为运算得到的关于au、的函数； 利用式⑵中重力视运动的实际计算值卜(〇,通过递推最小二乘辨识法辨识式⑶中 的参数Ay，并根据辨识得到的参数，重构重力视运动/、〇,具体包括以下步骤： 21)对'系中\参数进行辨识，选择状态向量为X=[An A12 A13]T，量测向量为 A =严》，其中k为迭代更新次数，系统方程、量程矩阵Hk以及量测方程分别依次如下： Xk+i = \ ⑷ Hk = [cos(c〇iet) sin(c〇iet) 1] (5) Zk = HkXk+Vk (6) 式中，Vk为量程噪声。递推最小二乘辨识算法具体如下：
(7) 式中，Kk为增益矩阵；Pk为状态协方差矩阵；Rk为Vk的协方差阵； 22) 对4。系中\轴参数进行辨识，选择状态向量为父=[414243]'量测向量为 & = /"?，其余各式同式（4)-(7); 23) 对4。系中\轴参数进行辨识，选择状态向量为X = [A31 A32 Α33]τ，量测向量为 4 =严"，其余各式同式（4)-(7); 根据步骤2)中辨识获取的参数Ay构建矩阵并根据c〇iet，重构重力视运动尸切， 具体选择时间点分别为TA = -t、TB = 0与T。= t，其中T。为当前时刻，
(8)
4.根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征 所述的步骤3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐标以及 底圆半径，具体包括： 锥体底圆中心点为：
(10) (11)
(12)。
5. 根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征 在于，所述的步骤3)由三个时刻的重力视运动向量求取重力视运动锥体底圆的中心点坐 标以及底圆半径具体为： 构建中心轴向量：
(13) (14) (15) (16) (17)
6. 根据权利要求1所述的一种基于重力视运动的SINS自对准与纬度计算方法，其特征 在于，所述的步骤5)根据锥体中各向量几何关系完成纬度L计算，具体为：
【文档编号】G01C25/00GK104296780SQ201410549590
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】刘锡祥, 赵玉, 宋清, 杨燕, 刘贤俊, 刘志鹏 申请人:东南大学