[发明专利]一种浮空飞行器捷联惯导空中初始对准方法

说明书

技术领域

本发明属于惯性技术领域，特别涉及一种浮空飞行器在空中机动过程中同时具有平动和绕天向转动条件下捷联惯导的空中初始对准方法。

背景技术

浮空飞行器必须具有几天甚至几个月在空中执行任务的能力。为了节约能源和减少不必要的设备老化损耗，其捷联惯性导航系统必须具备空中开机后正常工作的功能。这就要求捷联惯导系统必须能够在浮空器机动的动态过程中实现初始对准，提供可用的导航初值信息的能力，这是实现后续的导航定位和姿态测量的前提。浮空飞行器漂浮在高空中，受到风力等因素的影响，相对于地面同时具有平动和绕天向转动的机动特点。

浮空飞行器导航系统的空中初始对准分为粗对准和精对准两个阶段。粗对准的主要任务就是在载体姿态未知的情形下，根据惯性传感器及外部信息传感器的测量信息初步确定载体姿态角和航向角，为下一步精对准提供初始条件。在运载体运动的环境下，地球角速率相对很小，传统解析式粗对准不可用，因此载体运动条件下要获取姿态和方位信息就必须引入外界辅助措施以测量载体的运动，在算法中对运动量进行补偿，降低或消除运动的影响。

捷联惯导系统的精对准在完成粗对准的基础上进行。因为粗对准精度较低，当方位失准角较大时，常用的线性模型和滤波方法已经不再适用，需要研究适用于大失准角对准的误差模型和滤波算法。为此，众多学者研究了能适用于大角度误差的非线性模型及相应的非线性滤波算法，同时基于大方位误差模型的非线性滤波方法在动基座和飞行对准中的应用越来越广泛。

文献1：夏家和等.捷联惯导动态粗对准算法研究与仿真[J].系统仿真学报，2010，22(4)：967-969，主要讲述在外部信息里程计的辅助下实现舰载航姿系统的粗对准，仿真结果表明该粗对准方法在实际工程中的可行性。而浮空飞行器在高空运动，非常利于获取GPS信息，从而获取初始的位置和速度信息。借助于GPS信息的辅助，寻找合适的初始姿态角和航向角获取方法，是浮空飞行器粗对准方法的研究重点。

文献2：严恭敏.捷联惯导系统动基座初始对准及其它相关问题研究[D].西安：西北工业大学，2008，围绕大失准角下的精对准进行了详细的研究，理论分析及仿真结果表明方法的可行性。

文献3：徐博等.舰船捷联航姿系统自主粗对准仿真与实验研究[J].兵工学报，2008，29(12)：1465-1473，主要围绕载体晃动基座下的对准展开研究，文献4：陈良，等.捷联惯导空中粗对准方法[J].国防科技大学学报，2012，34(2):130－133，主要针对飞行器进近着陆情况下采用基于四元数的解析粗对准法实现载体粗对准，该方法对飞行器机动特性有所约束且受侧滑速度的影响较大。文献5：刘百奇等.一种基于可观测度分析的SINS/GPS空中对准新方法[J].系统仿真学报，2008,20（16）：4302-4348，研究了GPS辅助的空中对准方法，该方法以系统参数的可观测度作为反馈值，研究了在匀速直航情况下采用各种机动方式来提高系统可观测度，上述几种方法均没有考虑载体平动的同时绕天向轴存在转动的运动特点下的空中对准。

因此，为满足浮空飞行器捷联惯导空中开机后正常工作的需要，考虑浮空飞行器行进的同时绕天向存在角运动的情况即平动加转动的运动特性，选取一种既简单精度又高的浮空飞行器空中对准的方法，对浮空飞行器的工程应用具有很强的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既简单精度又高的浮空飞行器捷联惯导空中初始对准方法，该方法在外界信息GPS的辅助下，实现浮空飞行器在平动加转动运动条件下的空中对准。

本发明的具体实现步骤如下：

A、采用GPS辅助的惯性凝固解析式粗对准方法实现浮空飞行器惯导系统的空中粗对准，粗略的获取惯导姿态信息，而位置和速度信息直接由GPS获取：

第一步：采用惯性凝固解析式粗对准方法，即将t时刻的捷联姿态矩阵Cbn(t)拆写成如下三个矩阵相乘形式：