[发明专利]一种基于姿态耦合的捷联惯导/星敏感器组合导航方法

摘要

本发明涉及一种组合导航领域，特别是一种基于姿态耦合的捷联惯导/星敏感器组合导航方法。本发明包括：采集捷联惯导系统输出带有位置误差的地球坐标系相对地理坐标系的转换矩阵；星敏感器直接输出相对于惯性空间的姿态矩阵，得到载体坐标系相对地球坐标系的转换矩阵；利用转换矩阵得到星敏感器捷联矩阵；捷联惯导系统提供捷联矩阵；星敏感器捷联矩阵和捷联惯导捷联矩阵相乘；由捷联惯导捷联矩阵得到姿态角；由星敏感器捷联矩阵得到姿态角；星敏感器和捷联惯导解算两组姿态作差；耦合计算，得到各导航系统失准角；校正捷联惯导姿态信息；校正捷联惯导位置信息；校正捷联惯导速度信息。本发明不受惯性组件测量误差影响，计算量小，可靠性较强。

主权项

一种基于姿态耦合的捷联惯导/星敏感器组合导航方法，其特征在于：(1)采集捷联惯导系统输出带有位置误差的地球坐标系相对地理坐标系的转换矩阵其中，e表示地球坐标系，原点位于地球质心，z轴指向地球自转方向，x指向春分点方向，y轴与其它两轴构成右手螺旋定则；n′表示捷联惯导系统计算导航坐标系；表示地球坐标系相对捷联惯导系统计算地理坐标系的转换矩阵；sin为三角函数中的正弦函数，cos为三角函数中的余弦函数；λs＝λ+δλs为捷联惯导系统解算经度，λ为载体所在位置地理经度，δλs为捷联惯导系统解算经度误差；为捷联惯导系统解算纬度，为载体所在位置地理纬度，为捷联惯导系统解算纬度误差；(2)星敏感器直接输出相对于惯性空间的姿态矩阵得到载体坐标系相对地球坐标系的转换矩阵Cbe=CieCbi=cbe11cbe12cbe13cbe21cbe22cbe23cbe31cbe32cbe33,]]>其中，b表示载体坐标系，原点位于载体质心，z轴垂直于载体甲板平面，y轴指向载体艏向；x轴与其余两轴构成右手螺旋定则；表示载体系到地球系的转换矩阵；表示载体系到惯性系的转换矩阵，由星敏感器提供，cbeij(i,j＝1,2,3)表示中第i行第j列矩阵元素；表示惯性系到地球系的转换矩阵，与地球转速和导航时间有关，借助外部时间信息可得到该矩阵：Cie=cos(k+ωie·t)sin(k+ωie·t)0-sin(k+ωie·t)cos(k+ωie·t)0001,]]>其中，ωie为地球自转角速度，t是世界标准时间系统提供的具体时间，k是初始位置经度与春分点之间的夹角；(3)利用转换矩阵和得到星敏感器捷联矩阵CbnC′=cbnC′11cbnC′12cbnC′13cbnC′21cbnC′22cbnC′23cbnC′31cbnC′32cbnC′33,]]>其中，表示中第i行第j列矩阵元素；(4)捷联惯导系统提供捷联矩阵CbnS′=cbnS′11cbnS′12cbnS′13cbnS′21cbnS′22cbnS′23cbnS′31cbnS′32cbnS′33,]]>其中，表示中第i行第j列矩阵元素；(5)星敏感器捷联矩阵和捷联惯导捷联矩阵相乘：CbnC′(CbnS′)T=c11c12c13c21c22c23c31c32c33,]]>其中，角标T表示矩阵转置；cij(i,j＝1,2,3)表示乘积中第i行第j列矩阵元素，a1=c23a2=c13a3=c12;]]>(6)由捷联惯导捷联矩阵得到姿态角，即θSx=sin-1(cbnS′32)θSy=tan-1(-cbnS′31/cbnS′33)θSz=tan-1(-cbnS′12/cbnS′22),]]>其中，θSx，θSy，θSz分别为捷联惯导解算载体纵摇角、横摇角、航向角；(7)由星敏感器捷联矩阵得到姿态角，即θCx=sin-1(cbnC′32)θCy=tan-1(-cbnC′31/cbnC′33)θCz=tan-1(-cbnC′12/cbnC′22),]]>其中，θCx，θCy，θCz分别为星敏感器捷联矩阵解算载体纵摇角、横摇角、航向角；(8)星敏感器和捷联惯导解算两组姿态作差，得到a4=θSx-θCxa5=θSy-θCya6=θSz-θCz;]]>(9)耦合计算，得到各导航系统失准角：其中，φSx，φSy，φSz为捷联惯导数学平台失准角；φCx，φCy，φCz为星敏感器数学平台失准角；m(S)ij(i,j＝1,2)为与捷联惯导捷联矩阵元素相关的变量；m(C)ij(i,j＝1,2)为与星敏感器捷联矩阵元素相关的变量：m(S)11=-cbnS′221-cbnS′322,m(S)12=cbnS′121-cbnS′322,m(S)21=cbnS′21cbnS′33-cbnS′23cbnS′31cbnS′332+cbnS′312,]]>m(S)22=cbnS′13cbnS′31-cbnS′11cbnS′33cbnS′332+cbnS′312,m(C)11=cbnC′221-cbnC′322,m(C)12=cbnC′121-cbnC′322]]>m(C)21=cbnC′21cbnC′33-cbnC′23cbnC′31cbnC′332+cbnC′312,m(C)22=cbnC′21cbnC′33-cbnC′23cbnC′31cbnC′332+cbnC′312]]>(10)校正捷联惯导姿态信息：Cbn=CnS′nCbnS′,]]>其中，CnS′n=1-φSzφSyφSz1-φSx-φSyφSx1,]]>更新载体姿态信息，θ=arcsin(cbn33)φ=arctan(cbn32/cbn31)ψ=arctan(cbn13/cbn23)]]>其中，cbnij(i,j＝1,2,3)为第i行第j列矩阵元素；θ，φ，ψ表示组合导航解算载体纵摇角、横摇角和航向角；(11)校正捷联惯导位置信息：其中，λ分别表示组合导航解算载体纬度和经度信息；(12)校正捷联惯导速度信息：其中，R表示地球半径；分别表示φCx、φCy的微分形式；vxS、vyS分别表示捷联惯导解算东向、北向速度信息；vx、vy分别表示组合导航计算载体东向、北向速度信息。