一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法
【专利摘要】本发明属于初始对准中误差补偿领域，具体涉及一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法。本发明包括：采集光纤陀螺仪输出的角速度数据和石英加速度计输出的加速度数据；通过重力扰动位计算对准地点的重力扰动值，对石英加速度计的输出加速度数据进行补偿；采用解析法来完成粗对准，选取滤波初始值；估计出平台失准角；完成精确的初始对准。发明中捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法是，根据已知的经纬度值并通过EGM2008模型计算出对准点的重力扰动值，然后算出的重力扰动值从加速度计中剔除掉，就得到重力扰动补偿后加速度计的输出，仿真结果表明重力扰动补偿后可提高初始对准精度。
【专利说明】一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于初始对准中误差补偿领域，具体涉及一种捷联惯导初始对准中重力扰 动的补偿方法。

【背景技术】
[0002] 初始对准是捷联惯性导航系统关键技术之一。初始对准精度直接影响捷联惯性导 航系统的工作精度。捷联惯性导航系统初始对准的主要目的是建立姿态矩阵的初值，初始 对准中通过初始对准状态空间模型，利用卡尔曼滤波将初始失准角状态估计出来并用以校 正姿态矩阵。传统的对准过程包括粗对准和精对准两个阶段，首先用粗对准模型粗略估计 出失准角的大小，然后再利用精对准模型估计出失准角的大小而实现精对准。捷联惯性导 航系统的严格数学误差模型是一组非线性微分方程，而实际粗对准的失准角在很多情况下 为大角度，因此采用非线性模型更能真实的反映误差传播特性。
[0003] 惯性导航解算时通常用的是正常重力值，正常重力值是将地球近似为一个质量均 匀的旋转椭球模型而得到的重力值；而实际由于地球内部质量分布不均匀，重力矢量包括 正常重力和重力扰动。由于不同地区地球内部质量分布不同，这些重力扰动在地表或者海 平面上是变化的。惯性加速度计不能区分地球重力的切线方向分量和机体的水平加速度， 因此这些重力扰动会引起惯导系统解算误差。在惯性导航中，使用加速度计测量载体位置 的比力矢量，比力矢量是测量点绝对加速度5与重力加速度g之差为：/ = 5-g。从测得 的比力中补偿掉引力加速度，就可以得到载体的绝对加速度，再根据绝对加速度和相对加 速度的关系，惯导系统可进一步求得载体的相对速度、位置。显然，如果航迹上的重力加速 度f不能真实的反映实际重力加速度，那么将会导致测量点加速度的误差，进一步导致导 航解算误差。随着惯性器件精度不断提高与高精度惯性导航系统需求的发展，重力扰动成 为高精度惯导初始对准的一项主要误差源。初始对准的精度的高低直接影响到惯性导航的 精度，要实现高精度的惯性导航有必要补偿初始对准中的重力扰动。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的是为了提高初始对准的精度，补偿初始对准时存在的重力扰动，提 出用地球重力场模型EGM2008计算重力扰动并加以补偿的捷联惯导初始对准中重力扰动 的补偿方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] (1)采集光纤陀螺仪输出的角速度数据和石英加速度计输出的加速度数据；
[0007] (2)通过重力扰动位计算对准地点的重力扰动值，对石英加速度计的输出加速度 数据进行补偿；
[0008] (3)采用解析法来完成粗对准，通过初始矩阵Q'(0)确定载体的姿态信息即纵摇 角、横摇角、航向角，其中b代表载体坐标系，n'代表计算导航坐标系；
[0009] (4)选取滤波初始值
[0010] i〇 = ￡[.V()], Pn = E[(x0 -x0)(x0 -?)7 ],
[0011] 其中Xtl为状态变量的初值，Ptl为状态变量的初始误差协方差矩阵；
[0012] (5)利用无迹卡尔曼滤波方法进行滤波，估计出平台失准角；
[0013] (6)利用估计出来的平台失准角修正系统的捷联初始矩阵Cf(O)，得到精确的初 始捷联矩阵q(0)，即(^(O) = Ciqqoh从而完成精确的初始对准。
[0014] 重力扰动位T ( P , L,入），
[0015]

【权利要求】
1. 一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在于： (1) 采集光纤陀螺仪输出的角速度数据和石英加速度计输出的加速度数据； (2) 通过重力扰动位计算对准地点的重力扰动值，对石英加速度计的输出加速度数据 进行补偿； (3) 采用解析法来完成粗对准，通过初始矩阵q：'(〇)确定载体的姿态信息即纵摇角、横 摇角、航向角，其中b代表载体坐标系，n'代表计算导航坐标系； (4) 选取滤波初始值 i-(1 = ￡[.v(1], /> = Ε[(χ0 -Λ-())(Λ-0 ^ 其中Xtl为状态变量的初值，Po为状态变量的初始误差协方差矩阵； (5) 利用无迹卡尔曼滤波方法进行滤波，估计出平台失准角； (6) 利用估计出来的平台失准角修正系统的捷联初始矩阵C/(〇)，得到精确的初始捷 联矩阵G(O)，即q(o) = C;〉Cf (0)，从而完成精确的初始对准。
2. 根据权利要求1所述的一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在 于：所述的重力扰动位T ( P，L，λ )，
地球平均半径为R，Θ =90-L是地心余纬度，位系数CM，Snm是已知的重力扰动的系数， 可通过EGM2008重力场模型获得，L表示地球纬度，λ为地球经度，p为对准地点处的地心 向径，GM为地球常系数，Ρ?( ·)为締合勒让德多项式：
X为变量，I X I < I ;η称为阶，m称为次，N = [ (n-m)/2]; 重力扰动位的梯度即为重力扰动矢量Sgn:
通过重力扰动矢量得到极坐标系下的重力扰动值：
在东北天-ENU地理坐标系上，重力扰动矢量3个轴向的分量为转换到 地理坐标系为：
然后对加速度计的输出进行补偿。
3. 根据权利要求1所述的一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在 于：所述的初始矩阵：
Θ(Ι是纵摇角，Y (I是横摇角，％是航向角。
4. 根据权利要求1所述的一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在 于：所述的状态变量是平台失准角、水平速度误差。
5. 根据权利要求1所述的一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在 于：所述的步骤（5)包括： (5. 1)构造2η+1维的Sigma点
其中4+1为k-Ι时刻的状态估计,Plrf为k-Ι时刻的状态误差协方差矩阵,m为系统状态 变量的维数，κ为比例系数，可用于调节Sigma点和的距离； (5. 2)确定权值
(5. 3)通过滤波方程进行时间更新
由％-1和Ph计算Sigma点ξ n，通过非线性状态函数( ·)传播为YkH，由YkH 可得状态预测.和预测误差协方差阵Pk/k+ Qlrt为系统噪声； (5. 4)通过滤波方程进行量测更新 Kk = PkutfU+Rk)-1 Pk= (I-KkH)Pk^1 其中Rk为量测噪声，Kk为滤波增益，Pk为估计误差协方差矩阵，毛为状态估计值其中 包括平台失准角。
6.根据权利要求5所述的一种捷联惯导初始对准中重力扰动的补偿方法，其特征在 于：所述滤波方程包括状态方程 文=/⑷+ ，系统噪声向量『? < < wL <T
其中，心，馬分别为地球子午、卯酉曲率半径，Φχ，Φρ小2为三个方向的平台失准 角；Svx，δ'为速度误差；L为当地纬度；Wie为地球自转角速度； 为三个轴向的 陀螺漂移；为陀螺零均值高斯白噪声；为三个轴向的加速度零偏； 为加速度计零均值高斯白噪声；fx，fy，fz为加速度输出比力在计算地理坐标系 上的值；C' u是载体系到计算地理系矩阵中的元素； 量测方程为： Z = HX+V 其中，量测量Z为惯导水平速度误差δ vx，SVy ;H= [I2X2 02X3]，I2x2为单位二阶矩阵， O2x3为2行3列零矩阵；V为量测噪声。
【文档编号】G01C25/00GK104374401SQ201410542256
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】何昆鹏, 王晓雪, 王刚, 王晨阳, 韩继韬, 邵玉萍, 张兴智, 张琳, 胡璞, 徐旭 申请人:哈尔滨工程大学