专利名称：一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种测量方法，尤其涉及的是一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法。
背景技术：
在捷联惯性导航系统中，所有的惯性测量元件直接安装在载体上，惯性元件输出的就是载体相对于惯性空间的角速度和加速度，由计算机将载体坐标系下测得的加速度数据转换到导航坐标系再进行导航解算，相当于利用陀螺仪输出数据在计算机内构建一个数学平台作为导航计算的参考。由于捷联系统没有平台框架及相连的伺服机构，因而简化了硬件，与平台惯导相比具有体积小、重量轻、成本低、可靠性比较高等优点。正是由于以上优点，它在航空、航天、航海和很多民用领域得到了广泛应用。旋转调制技术是惯性导航系统的一种自校正方法。调制型捷联惯性导航系统在捷 联惯导系统的外面加上转动机构和测角装置，导航解算仍采用捷联惯导算法。它不需要引入外部校正信息，能够自动对系统中惯性器件的常值偏差进行平均，达到抵消漂移对系统精度的影响。因而可以提高惯性导航系统长时间工作的精度，充分发挥惯性导航“自主式”的优点。应用旋转调制技术，还可以应用较低精度的惯性器件，构成较高精度的惯性导航系统，有利于降低惯性导航系统的成本，同时由于引入外界运动可以有效地提高惯导系统部分参数的可观测度。初始姿态误差是惯性导航系统主要的误差源之一，初始姿态的误差对系统误差的影响不仅表现在姿态指标上，而且表现在速度和位置信息的获取上。初始姿态确定的精度直接影响着导航的精度。按基座的运动状态来分，惯导系统的初始姿态确定方法可以分为两类，即静基座初始姿态确定和动基座初始姿态确定。所谓静基座初始姿态确定是指惯性测量组合在载体完全静止的情况下确定载体的初始姿态信息。目前，该技术已经比较成熟，通过多位置法和卡尔曼滤波已经能够达到相当高的精度。但是，静基座初始姿态确定技术对于众多的机载和舰载武器系统来说已经不能适应它们快速反应的要求，所以当前研究的重点主要集中在动基座初始姿态确定方法。所谓动基座初始姿态确定是指惯性测量组合在载体运动或者外界扰动的情况下完成。其难点在于构造快速、稳定、鲁棒性强的滤波器，并且对滤波器状态的可观测性和可观测度进行评价，从而设计最优滤波器。根据使用外部信息的情况，可以将动基座初始姿态确定方法分为三类外部阻尼式、传递式和外部辅助姿态信息式。滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。无限冲击响应(IIR)滤波器属于经典滤波器，即假定输入信号中的有用成分和希望除去的成分各自占有不同的频带。这种假定在一定程度上符合了客观规律，对于高通滤波器来说，采样序列的高频部分包含有用信号，而低频部分则主要是由舒勒周期振荡控制。因此通过设计合理的高通滤波器，就可以达到去除舒勒周期振荡的目的。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法。本发明的技术解决方案为一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于采用惯性测量单元单轴四位置转停，提出载体瞬时速度的提取方法，根据瞬时速度的误差特性，采用无限冲击响应(IIR)数字高通滤波器滤除载体速度中的舒勒周期，将滤波后的速度信息和惯导解算出的速度信息作差后作为系统的观测量，采用卡尔曼滤波技术实现捷联惯导系统的组合姿态，其具体步骤如下(I)通过GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；(2)调制型捷联惯导系统进行预热准备，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据并对数据进行处理；
(3) IMU采用4个转停次序为一个旋转周期的转位方案(如附图
2);次序1，MU由位置A出发，顺时针旋转180°到位置B，并在位置B停留时间Ts ;次序2，IMU由位置B出发，顺时针旋转90°到达位置C，并在位置C停留时间Ts ;次序3，IMU由位置C出发，逆时针旋转180°到位置D，在位置D停留时间Ts ;次序4，MU由位置D出发逆时针旋转90°回到位置A，并在位置A停留时间Ts ;然后按照次序I 4的顺序循环运动。IMU每次转动180°或90°间隔进行。从一个位置转动180°到对称位置，在这两个相互对称的位置上，水平方向上惯性敏感元件的常值漂移在进行导航计算的时候能够相互抵消掉。通过旋转90°到达另外一个新位置。(4)将加速度计的输出转换到载体半固定坐标系，利用调制型捷联惯导系统中的积分环节提取载体瞬时线速度信息；I)引入载体半固定坐标系以舰船重心为载体半固定坐标系原点，纵轴OYd指向舰船的主行向方向，横轴OXd垂直于纵轴平行于水平面，在舰船无纵摇运动时指向右舷方向。垂直轴OZd与前两轴垂直，沿船只竖轴向上为正(如附图3)。其中 '为主航向角，Y角为航向摇摆角(即艏摇角定义其与主航向角同向为正)。载体半固定坐标系的引入使得测量结果和角运动基本脱离，可以准确地描述舰船的瞬时线运动，因此采用载体半固定坐标系作为研究舰船瞬时线运动或称为平动的基础坐标系。2)建立惯性测量单元坐标系与载体半固定坐标系的转换矩阵首先建立载体坐标系与载体半固定坐标系之间相差三个旋转角，可视为半固定坐标系经三次旋转后与载体坐标系重合，三个角度分别为纵摇角α、横摇角β及艏摇角
Y(如附图4)。载体坐标系(b系)转换到载体半固定坐标系(d系)的方向余弦矩阵<。
权利要求
1.一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于包括以下步骤 (1)通过GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中； (2)调制型捷联惯导系统进行预热准备，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据并对数据进行处理； (3)IMU采用4个转停次序为一个旋转周期的转位方案(如附图2); 次序1，IMU由位置A出发，顺时针旋转180°到位置B，并在位置B停留时间Ts ;次序·2，MU由位置B出发，顺时针旋转90°到达位置C，并在位置C停留时间Ts ;次序3，MU由位置C出发，逆时针旋转180°到位置D，在位置D停留时间Ts;次序4，MU由位置D出发逆时针旋转90°回到位置A，并在位置A停留时间Ts ;然后按照次序I 4的顺序循环运动。
IMU每次转动180°或90°间隔进行。从一个位置转动180°到对称位置，在这两个相互对称的位置上，水平方向上惯性敏感元件的常值漂移在进行导航计算的时候能够相互抵消掉。通过旋转90°到达另外一个新位置。
(4)将加速度计的输出转换到载体半固定坐标系，利用调制型捷联惯导系统中的积分环节提取载体瞬时线速度信息； 1)引入载体半固定坐标系 以舰船重心为载体半固定坐标系原点，纵轴OYd指向舰船的主行向方向，横轴OXd垂直于纵轴平行于水平面，在舰船无纵摇运动时指向右舷方向。垂直轴OZd与前两轴垂直，沿船只竖轴向上为正(如附图3)。其中 '为主航向角，Y角为航向摇摆角(即艏摇角定义其与主航向角同向为正)。载体半固定坐标系的引入使得测量结果和角运动基本脱离，可以准确地描述舰船的瞬时线运动，因此采用载体半固定坐标系作为研究舰船瞬时线运动或称为平动的基础坐标系。
2)建立惯性测量单元坐标系与载体半固定坐标系的转换矩阵 首先建立载体坐标系与载体半固定坐标系之间相差三个旋转角，可视为半固定坐标系经三次旋转后与载体坐标系重合，三个角度分别为纵摇角a、横摇角P及艏摇角Y (如附图4)。载体坐标系(b系)转换到载体半固定坐标系(d系)的方向余弦矩阵C/。
2.根据权利要求I所述的一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于所述的IMU采用4个转停次序为一个旋转周期的转位方案，具体包括如下步骤 次序1，IMU由位置A出发，顺时针旋转180°到位置B，并在位置B停留时间Ts ;次序2，MU由位置B出发，顺时针旋转90°到达位置C，并在位置C停留时间Ts ;次序3，MU由位置C出发，逆时针旋转180°到位置D，在位置D停留时间Ts;次序4，MU由位置D出发逆时针旋转90°回到位置A，并在位置A停留时间Ts ;然后按照次序I 4的顺序循环运动。
IMU每次转动180°或90°间隔进行。从一个位置转动180°到对称位置，在这两个相互对称的位置上，水平方向上惯性敏感元件的常值漂移在进行导航计算的时候能够相互抵消掉。通过旋转90°到达另外一个新位置。
3.根据权利要求I所述的一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于所述的将加速度计的输出转换到载体半固定坐标系，利用调制型捷联惯导系统中的积分环节提取载体瞬时线速度信息，具体包括如下步骤 I)引入载体半固定坐标系 以舰船重心为载体半固定坐标系原点，纵轴OYd指向舰船的主行向方向，横轴OXd垂直于纵轴平行于水平面，在舰船无纵摇运动时指向右舷方向。垂直轴OZd与前两轴垂直，沿船只竖轴向上为正(如附图3)。其中 '为主航向角，Y角为航向摇摆角(即艏摇角定义其与主航向角同向为正)。载体半固定坐标系的引入使得测量结果和角运动基本脱离，可以准确地描述舰船的瞬时线运动，因此采用载体半固定坐标系作为研究舰船瞬时线运动或称为平动的基础坐标系。
2)建立惯性测量单元坐标系与载体半固定坐标系的转换矩阵 首先建立载体坐标系与载体半固定坐标系之间相差三个旋转角，可视为半固定坐标系经三次旋转后与载体坐标系重合，三个角度分别为纵摇角a、横摇角P及艏摇角Y (如附图4)。载体坐标系转换到载体半固定坐标系的方向余弦矩阵Qd。
4.根据权利要求I所述的一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于所述的设计合理的无限冲击响应数字高通滤波器(IIR)，将导航系下解算出的载体速度进行高通滤波处理，具体包括如下步骤 I)确定所设计数字高通滤波器的技术指标 高通数字滤波器fpl、fsl、5p、Ss的技术指标是根据信号特征和采样频率fs给定的。其中，fpl为通带截止频率，fsl为阻带截止频率，Sp为通带波纹，即滤波器通带内偏离单位增益的最大值，通带边缘增益为l_Sp，Ss为阻带波纹，即滤波器阻带内偏离单位增益的最大值，阻带边缘处滤波器的增益为K。通带及阻带的衰减ap、％分别定义为-201og (I-S p)、-201og (I-S s)。
舒勒周期振荡信号相对来说属于低频信号，振荡周期是84. 4分钟。而舰船瞬时线运动是由海洋环境因素引起的，最主要的产生原因是海浪的影响，所以舰船瞬时线运动是频率与海浪频率大体一致的往复运动。而且舰船瞬时线运动相对于舰船的航行运动，属于高频运动，运动周期比较短，一般在I. 5秒 10秒左右，频率为0. 67赫兹。根据升沉横荡纵荡运动和舰船常规工作运动的运动特性上的不同，设计所需要的滤波器的技术指标要求，具体设计指标在试验过程中根据滤波效果进行调整，以达到最优滤波效果为准。
2)将技术指标从数字滤波器转换到模拟滤波器 技术指标从模拟滤波器到数字滤波器的变换采用双线性Z变换法，设计数字高通滤波器的技术指标为fpl，fsl，6p, 6 s, ts = 0. 0102。首先应得到数字边缘频率Q，因为2 对应采样频率fs，而fs = l/ts，所以有
5.根据权利要求I所述的一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法，其特征在于所述的根据调制型惯导系统动基座误差方程建立载体系泊状态时的组合姿态误差模型，以高通滤波后得到的速度与惯导系统直接解算出的速度作差后作为系统观测量，具体包括如下步骤 建立以经过高通滤波后的水平速度与调制型捷联惯导系统直接解算出的速度作差后作为观测量的卡尔曼滤波模型； 用一阶线性微分方程来描述调制型捷联惯导系统的状态误差 X = AX + BW 其中，X为系统的状态向量汸和B分别为系统的状态矩阵和噪声矩阵；W为系统噪声向量; 系统的状态向量为X=VSVe SVn % % % Vx Vr ex Sy sj 系统的白噪声向量为 W = [ax ay wx wy wz 0 0 0 0 0]T 其中SVe、6%分别表示东向、北向的速度误差；▽,、'分别为MU坐标系0\、％轴加速度计零偏；e x、e y、ez分别为IMU坐标系oxs、oys、ozs轴陀螺的常值漂移；ax、ay分别为IMU坐标系oxs、oys轴加速度计的白噪声误差；《x、wy> coz分别为IMU坐标系oxs、oys、ozs轴陀螺的白噪声误差； 系统的状态转移矩阵为
全文摘要
本发明提供的是一种无外观测量的调制型捷联系统组合姿态确定方法。采用全球定位系统(GPS)确定载体初始位置参数并装订至导航计算机中；采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据并进行处理；设定惯性测量单元(IMU)单轴四位置转停方案；将加速度计输出转换到载体半固定坐标系；设计无限冲击响应(IIR)数字高通滤波器，对导航系下解算的载体速度滤波；将滤波后的速度与调制型捷联系统解算出的速度作差后作为系统观测量，采用卡尔曼滤波技术估计调制型捷联惯导系统的姿态信息。本发明不需要外界辅助设备提供观测信息，可有效解决辅助设备提供信息频率与调制型捷联系统解算频率不匹配问题，实现调制型捷联惯导系统的组合姿态确定。
文档编号G01C21/20GK102768043SQ20121019458
公开日2012年11月7日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者孙伟, 徐爱功, 车莉娜 申请人:辽宁工程技术大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
