太阳城集团

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一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201710032696.X

申请日:

2017.01.16

公开号:

CN106814383A

公开日:

2017.06.09

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 19/47申请日:20170116|||公开
IPC分类号: G01S19/47(2010.01)I 主分类号: G01S19/47
申请人: 立得空间太阳城集团技术股份有限公司
发明人: 邵慧超; 洪勇; 张帅
地址: 430000 湖北省武汉市东湖新技术开发区汤逊湖北路33号华工科技园创新基地12栋
优先权:
专利代理机构: 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 代理人: 严彦
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法律状态
申请(专利)号:

CN201710032696.X

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.01.12|||2017.07.04|||2017.06.09

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明提供一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,包括判断POS系统处于静止状态或运动状态,相应选择对准模式为静对准或者动对准;进行静对准或者动对准,同时继续检测系统的运动状态,静对准时采用基于惯性系的对准方式对姿态矩阵进行分解,动对准时采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式;判断对准是否成功,若对准成功则反馈对准结果,若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式,重新对准。本发明适用于陆地、航空、航海等多种工作模式下的高精度定位定姿系统的初始对准,使得系统能够快速有效的获取准确的初始航向和姿态太阳城集团。

权利要求书

1.一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,判断POS系统处于静止状态或运动状态,相应选择对准模式为静对准或者动对
准;
步骤2,根据步骤1中选择结果,相应进行静对准或者动对准,同时继续检测系统的运动
状态;
设惯性坐标系标记为i,地球坐标系标记为e,导航坐标系标记为n,载体坐标系标记为
b,
静对准时,采用基于惯性系的对准方式,包括将姿态矩阵分解如下式:
<mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>C</mi> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mi>i</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>b</mi> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </msubsup> </mrow>
式中,ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系,为t时刻惯性系与n系之间的变换矩阵,由
载体的地理位置及粗对准太阳城集团t确定;为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵,利用陀螺输
出的b系相对ib0系的角运动太阳城集团确定;为ib0系与i系之间的变换矩阵,由重力加速度与
加速度计输出之间的转换关系求得;
动对准时,采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式;
步骤3,判断对准是否成功,若对准成功则反馈对准结果,若对准失败则根据检测到的
载体运动状态调整对准模式,重新对准。
2.根据权利要求1所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于:采
用基于快速卡尔曼滤波的对准方式时,在基于SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1和Φk/k-1
和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算一步预测误差方差矩阵时,先计算矩
阵B=Φk/k-1Pk-1,再计算矩阵计算B=Φk/k-1Pk-1时,通过直接展开Φk/k-1Pk-1来
表示B的每一个元素。
3.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于:
当POS系统在静态过程中上电启动,若在步骤3中判断对准失败,判定是否执行静态对准的
太阳城集团已超过预设的太阳城集团阈值,若是则转入动对准模式。
4.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于:
变换矩阵求取如下,
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>e</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mi>&lambda;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&lambda;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中,t表示对准太阳城集团,ωie表示地球自转角速度矢量,λ表示载体所在位置的经度,L表
示载体所在位置的纬度,表示e系相对于i系的旋转矩阵,表示n系相对于e系的位置矩
阵。
5.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于:
变换矩阵通过捷联惯导姿态更新算法求得。
6.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,其特征在于:
变换矩阵求取如下,
取t0<tu≤tv<td,其中t0为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻,
<mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>&times;</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </msubsup> <mo>&times;</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中,表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻tv到
td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量
在i系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在i系的投影。

说明书

一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法

技术领域

本发明涉及陆地、航空和航海等多种模式下的高精度定位定姿技术领域,尤其涉
及一种适用于陆地/航空/航海等多种模式下的高精度定位定姿系统(POS)动态快速对准技
术。

背景技术

高精度定位定姿系统是集GPS定位和惯性导航技术于一体的系统,通过采用卡尔
曼滤波技术实现数据的融合,POS系统将充分发挥GPS和INS各自的优点,能够为处于陆地/
航空/航海模式下的载荷提供实时、高精度的位置、航向、姿态和速度等太阳城集团,能为运动载荷
的导航和制导提供重要的太阳城集团。

随着科技的进步和社会的发展,人们对地理空间太阳城集团的获取和更新速度提出了更
高的需求,传统的测绘方式已经不能满足这一需求,测绘科技工作者必须寻求更高效、可靠
的空间太阳城集团获取技术。在这种需求下,移动测量系统应运而生,能够实现陆地、航空、航海等
多种模式下的地理空间太阳城集团获取,给测绘行业带来了一场太阳城集团技术革命。

移动测量系统的运用需要高精度的POS系统提供高精度、可靠的导航太阳城集团,目前国
外一些公司,如加拿大的Applanix、美国Z/I Imaging和德国IGI等已经开发出相应的机载
和车载POS产品并应用于航空摄影和地面空间数据的采集,但其对华实施产品禁运和相关
技术封锁。随着我国对惯性测量技术、高精度GPS接收机研究的不断深入,特别是随着我国
北斗卫星定位技术的不断发展,研究具有自主知识产权的高精度定位定姿测量系统,并将
其用于城市空间地理太阳城集团的获取和国土测量等领域中,不但为我国大规模生产实践、国民
经济建设、社会发展、人们生活提供必要的基础地理太阳城集团,还可使我国在导航技术中有所突
破,摆脱对国外技术的依赖。

发明内容

POS系统的动态快速对准技术是保证系统可靠、高效运转的重要技术,针对这一技
术难题,本发明在捷联惯导误差模型研究的基础上,提出了一种适用于陆地/航空/航海/多
种模式下的高精度POS动态快速对准技术。

本发明采用的技术方案提供一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法,
包括以下步骤:

步骤1,判断POS系统处于静止状态或运动状态,相应选择对准模式为静对准或者
动对准;步骤2,根据步骤1中选择结果,相应进行静对准或者动对准,同时继续检测系统的
运动状态;

设惯性坐标系标记为i,地球坐标系标记为e,导航坐标系标记为n,载体坐标系标
记为b,

静对准时,采用基于惯性系的对准方式,包括将姿态矩阵分解如下式:


式中,ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系,为t时刻惯性系与n系之间的变换矩
阵,由载体的地理位置及粗对准太阳城集团t确定;为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵,利用陀
螺输出的b系相对ib0系的角运动太阳城集团确定;为ib0系与i系之间的变换矩阵,由重力加速
度与加速度计输出之间的转换关系求得;

动对准时,采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式;

步骤3,判断对准是否成功,若对准成功则反馈对准结果,若对准失败则根据检测
到的载体运动状态调整对准模式,重新对准。

而且,采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式时,在基于SINS/GPS离散模型转移矩
阵Φk/k-1和Φk/k-1和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算一步预测误差方差矩阵
时,先计算矩阵B=Φk/k-1Pk-1,再计算矩阵计算B=Φk/k-1Pk-1时,
通过直接展开Φk/k-1Pk-1来表示B的每一个元素。

而且,当POS系统在静态过程中上电启动,若在步骤3中判断对准失败,判定是否执
行静态对准的太阳城集团已超过预设的太阳城集团阈值,若是则转入动对准模式。

而且,变换矩阵求取如下,


其中,t表示对准太阳城集团,ωie表示地球自转角速度矢量,λ表示载体所在位置的经度,
L表示载体所在位置的纬度,表示e系相对于i系的旋转矩阵,表示n系相对于e系的位
置矩阵。

而且,变换矩阵通过捷联惯导姿态更新算法求得。

而且,变换矩阵求取如下,

取t0<tu≤tv<td,其中t0为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻,


其中,表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时
刻tv到td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻t0到tu加速度计输出的比
力增量在i系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在i系的投影。

本发明具有下列优点和积极效果:

1)本发明适用于陆地、航空、航海等多种工作模式下的高精度定位定姿系统的初
始对准,

使得系统能够快速有效的获取准确的初始航向和姿态太阳城集团,具有重要的市场价
值;

2)对准太阳城集团短,精度高,系统计算量小;

3)可根据系统运动状态自主选择最优的对准方式,自主性好。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。

本发明所提供技术方案,是根据POS系统上电时的运动状态,自动选取对准的方
式,以适应陆地/航空/航海等多种模式的应用需求,具体实施时POS系统通过工装与相应载
体固连。

当POS系统在静态过程中上电启动时,系统在传统解析式粗对准的基础上,将初始
对准姿态矩阵进行分解,使得粗对准具有跟踪载体角运动的功能(具体可参见后续公式
(3),(6),(15)),降低晃动对系统对准的影响,获得的是粗对准结束时刻的姿态矩阵。

当POS系统在运动过程中开机或者重新启动时,需要利用动基座对准技术,本方案
利用GPS轨迹的航迹角对惯导初始方位进行粗对准,一般误差能够控制在10度以内,由于粗
对准对水平姿态角的初始值精度要求不高,而载体的水平姿态角一般不大,不妨将其初始
化为零,惯导系统的速度初值由GPS提供,这样构成一个小失准角的SINS/GPS对准系统。在
利用卡尔曼滤波进行组合导航解算是为了提高解算速度。本方案采用直接展开法,摒弃了
程序循环控制计算方法,直接展开法虽然增加了少许程序长度和降低了通用性,但是极大
减少了乘法运算次数和程序循环控制开销,有利于减少数值舍入累积误差,直接展开法还
考虑了协方差阵的对称性,提高了数值稳定性。

进一步,特殊地,可以当POS系统在静态过程中上电启动,静态对准太阳城集团不满足系
统需求时,系统将在静态粗对准的基础上迅速转入动基座对准模式,提高对准精度,减少对
准太阳城集团。

因此,本发明的基本工作原理是:

本发明首先根据POS系统上电前几秒采集的IMU和GNSS数据判断系统的初始状态,
并根据相应的状态选择对准模式进行初始对准,并在对准的过程中实时监测系统的运动状
态,并根据检测结果对系统的对准模式进行相应的调整。系统在静态模式时,采用基于惯性
坐标系的对准技术,快速准确获取载体的初始姿态太阳城集团;系统在动态模式时,采用基于快速
卡尔曼滤波的动对准技术,快速有效地获取载体的精确姿态角太阳城集团。

参见图1,实施例包括以下步骤:

1)判断POS系统处于静止状态或运动状态,相应选择对准模式为静对准或者动对
准;POS系统通过工装与载体固连,运动状态一致;

2)根据步骤1)中选择结果,相应进行静对准或者动对准,同时继续检测系统的运
动状态;

A.静对准时,采用基于惯性系的对准方式,具体步骤如下:

传统解析式粗对准中,姿态矩阵的计算如下式:


式中,下标中的“i”和“e”分别表示惯性坐标系(i系)和地球坐标系(e系),gn和
为重力加速度矢量和地球旋转矢量在导航坐标系(n系)中的投影,gb和为重力加速度矢
量和地球旋转矢量在载体坐标系(b系)中的投影。

如果载体出现较大幅值的晃动干扰,上述粗对准方法可能产生很大误差,为减小
晃动对对准的影响,将姿态矩阵分解如下式:


式中,ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系,为t时刻惯性系(i系)与n系之间的变
换矩阵,可由载体的地理位置及粗对准太阳城集团t确定;为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵,
利用陀螺输出的b系相对ib0系的角运动太阳城集团,通过捷联惯导姿态更新算法可以求得该矩阵;
为ib0系与i系之间的变换矩阵,该矩阵是个常值阵,可由重力加速度与加速度计输出之
间的转换关系求得。

a)求解变换矩阵

变换矩阵可由n系相对于e系的位置矩阵和e系相对于i系转过的角度ωiet求
得,即



式中,t表示对准太阳城集团,ωie表示地球自转角速度矢量,λ表示载体所在位置的经度,
L表示载体所在位置的纬度,表示e系相对于i系的旋转矩阵。

b)求解变换矩阵

变换矩阵可通过陀螺采样输出,利用现有技术的捷联惯导姿态更新算法可求
得。假设tk时刻和tk+1时刻的变换矩阵分别为和其对应的变换四元数分别为
和显然有和其中I表示单位矩阵。再假设tk时刻至tk+1时刻陀螺
输出的角增量为Δθk,则利用等效旋转矢量单子样算法可得b系相对于ib0系从tk时刻至tk+1
时刻的变换四元数为:


从而可进行四元数更新解算


最后,假设四元数矢量其中q0、q1、q2和q3表示四元数,是
表示两个3维空间矢量转换关系的一种方式。则由变换四元数和变换矩阵之间的关系可计
算得tk时刻的变换矩阵


变换矩阵的更新解算使得粗对准具有了跟踪载体角运动的功能,获得粗对准
结束时刻的姿态矩阵。

c)求解变换矩阵

变换矩阵是个常值矩阵,当载车静止时,该矩阵可由重力加速度在i系的投影
gi与加速度计输出在ib0系的投影之间的转换关系求得,即


其中,表示初始对准t0时刻的载体坐标系相对于惯性系(i系)的转换矩阵,另外
有:



公式(8)和公式(9)中,表示加速度计输出量在载体系(b系)中的投影,gn表示重
力加速度在导航系(n系)中的投影,表示惯性系相对于载体系的转换矩阵。

公式(7)中取两个不同时刻tl时刻和tm时刻(tl<tm)的变换方程,类似于(1)式的方
法可得:


当tl时刻与tm时刻很接近时,上式中tl和tm时刻惯性系下的重力加速度分量和
几乎平行,为了降低计算误差应使tl适当远离tm。公式(10)中,和表示tl时刻与tm时
刻加速度输出量在系中的分量。

由于惯性器件噪声等随机干扰的存在,应对(7)式在tl时刻和tm时刻附近积分,以
降低干扰的影响。设tk时刻至tk+1时刻陀螺输出的角增量为Δθk,加速度计输出的比力速度
增量为Δvk,类似于捷联惯导速度更新算法,利用速度单子样算法由(8)式可得在ib0系上投
影的速度更新算法:


其中,表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在ib0系的投影,tr
≤tk;表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在ib0系的投影;另外,将(3)式代入(9)
式并从tr时刻至tk时刻积分可得


公式(12)中,g表示重力加速度,表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在i
系的投影,表示导航系(n系)相对于惯性系(i系)的转换矩阵。取t0<tu≤tv<td,其中t0
为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻,tu、tv为期间的两个时刻,则将(7)式两边都积分
可得



式中表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、
表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表
示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在i系的投影、表示时刻tv到td加速度
计输出的比力增量在i系的投影,并类似于(1)式的方法可得


d)求解粗对准姿态矩阵

将(3)式、(6)式和(15)式代入(2)式即可求得粗对准姿态矩阵

B.动对准时,采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式,具体步骤如下:

a)建立空中动基座对准状态方程如下:


式中,x表示状态向量,表示x的一阶微分,系统状态矩阵Ff


公式(17)中,和表示在导航坐标系(n系)中加速度计输出的比力在x、
y、z三个轴向的分量。

b)选择航向、姿态和速度6维状态向量,建立空中动基座对准量测方程如下:


公式(18)中,表示航向、俯仰和横滚,δνn表示速度矢量,T表示向量或者矩阵的转
置。

空中动基座对准速度量测方程为


其中,


c)对POS系统进行快速卡尔曼滤波,具体过程如下:

在SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1的225个元素中,仅有71个非零元素(包含13
个1元素),因此在利用转移矩阵Φk/k-1和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算
时存在大量的乘0和部分的乘1过程,然而这两种无实质意义的乘法操作都是
可以省略的。

SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1可参见相关文献:严恭敏.车载自主定位定向系
统研究[D].西安:西北工业大学博士学位论文,2006,5.

改进计算方法的思路是将一步预测误差方差矩阵的计算分为两步,
先计算前两矩阵相乘且记为矩阵B=Φk/k-1Pk-1,再计算矩阵计算B=Φk/k-1Pk-1
时,通过直接展开Φk/k-1Pk-1来表示B的每一个元素,例如,在SINS/GPS中实际编程时B(1,1)
直接写成:


式中,B(1,1)表示矩阵元素的临时变量,Φk/k-1(i,j)表示矩阵Φk/k-1第i行第j列
元素,Pk-1(i,j)表示矩阵Pk-1第i行第j列元素。计算时,考虑到C是对称矩阵,则
只需先展开上三角矩阵(或下三角矩阵),再利用对称性给另一半矩阵直接赋值即可。

3)判断对准是否成功,若对准成功则反馈对准结果,若对准失败则根据检测到的
载体运动状态调整对准模式,重新对准:

由于POS系统内部反馈机制,对准过程完成后,对准函数会反馈对准状态,POS系统
会根据对准状态判断对准成功与否。实施例根据POS系统输出的对准状态标志(对准状态
字)判断系统对准是否成功,若对准成功则将对准结果反馈给POS系统,若对准失败则根据
检测到的载体运动状态调整对准模式,重新对准。此时可以仍然是静止状态则相应选择对
准模式为静对准,运动状态则相应选择对准模式为动对准。进一步地,当POS系统在静态过
程中上电启动,此时也可以判定是否执行静态对准的太阳城集团已超过系统需求(超过预设的时
间阈值),若是则可直接转入动基座对准模式。

以上内容是结合实施例对本发明所做的进一步详细说明,不能认定本发明的具体
实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解,在不脱离由所附权利要求书限定的情
况下,可以在细节上进行各种修改,都应当视为属于本发明的保护范围。

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