[发明专利]一种基于最小二乘的INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统对准方法

说明书

本发明涉及一种基于最小二乘的INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统对准方法：选择初始对准的状态变量；根据偏振传感器输出的偏振方位角与INS输出的方位角匹配融合建立偏振量测方程；根据磁强计输出的航向角与INS输出的航向角建立地磁量测方程；根据GNSS输出的速度、位置信息与INS输出的速度、位置信息匹配融合建立误差量测方程；利用增广技术建立统一的INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统量测方程；利用最小二乘技术估计INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统的失准角、速度误差以及位置误差等物理量；对INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统姿态、速度及位置进行反馈校正，提高初始对准估计精度。

技术领域

本发明涉及一种基于最小二乘的INS/GNSS/偏振/地磁组合导航系统对准方法，可用于提高地球大气层内运载体(车辆、舰船和飞行器)的动基座初始对准精度，缩短初始对准时间。

背景技术

在进入导航状态前，导航系统需要进行初始对准，通过初始对准得知初始导航参数，包括姿态和速度。在动基座条件下，载体在运动过程中存在晃动、振动等多种形式的干扰。这些干扰因素会降低导航系统初始对准精度，延长对准时间。因此，动基座初始对准方法一直是组合导航技术领域的难点和热点问题。

目前，动基座初始对准方法主要包括两大类：一类是基于主/子惯性导航系统的传递对准方法；另一类是惯性导航系统与卫星、磁罗盘、星敏感器等导航设备进行组合初始对准方法。传递对准方法中，由于导弹载体存在结构挠性变形、主惯性导航系统与子惯性导航系统之间存在数据传输延迟等因素影响，初始对准精度及时间往往不能得到保证。而惯性导航系统与卫星、磁罗盘和星敏感器等导航设备进行组合初始对准方法，同样存在问题：其中，卫星在载体作机动时误差较大，且与惯性导航系统信号同步性不好；磁罗盘依赖于地磁场模型精度，特别是在地磁场异常的情况下，将出现较大误差，因此用于动基座初始对准效果并不理想；星敏感器可高精度估计载体姿态误差，但并不适用于在地球大气层内白昼时间段内的动基座初始对准。基于上述原因，惯性导航系统结合新型导航装置，设计更合适的信息匹配方式是动基座初始对准技术的发展趋势之一。

偏振光导航是一种仿生导航方式。太阳光线入射大气层时，大气中的粒子会使入射光线散射，造成太阳光线的偏振现象，沙蚁等生物可利用天空中的偏振光进行导航。根据仿生导航原理设计的偏振光传感器，可敏感到传感器量测方向的入射光最大偏振方向，输出偏振方位角。基于偏振方位角的偏振光导航具有自主性强、误差不随时间积累等优点，尤其适用于高精度的姿态确定。但偏振方位角对定位误差极不敏感，可达数十米。惯性导航系统的误差随时间积累，位置信息是发散的。因此偏振光传感器仅与惯性导航系统组合进行动基座初始对准会造成精度不高，甚至可能出现滤波结果发散的情况。

综上，目前常用的动基座初始对准方法存在对准精度低、对准时间长等缺点，而偏振光传感器、磁传感器对位置误差极不敏感，仅与惯性导航系统组合进行动基座初始对准效果同样不好。

现有技术中，与专利号为201310069511.4“一种SINS/GPS/偏振光组合导航系统的动基座初始对准方法”的发明专利相比，本发明有以下优点：

(1)所建立的组合导航系统模型不同，本发明加入新的传感器磁强计，通过融合新的传感器数据，可进一步提高初始对准的精度；

(2)所建立的偏振机理模型不同，本发明获得的偏振量测方程与专利号为201310069511.4“一种SINS/GPS/偏振光组合导航系统的动基座初始对准方法”的发明专利完全不同，后者所建立的偏振机理模型采用单个偏振光传感器进行构建，建立的模型复杂，而且存在除法，导致噪声不再满足高斯分布，在状态估计阶段会存在问题；本发明采用双偏振光传感器的设计，构建的模型简单，解决了单一传感器噪声分布不再是高斯分布的问题；

(3)采用的滤波方法不同，本发明采用最小二乘方法进行状态估计，该方法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，在工程中易于实现。

发明内容